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発明の名称 反力発生装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2006−15891(P2006−15891A)
公開日 平成18年1月19日(2006.1.19)
出願番号 特願2004−196335(P2004−196335)
出願日 平成16年7月2日(2004.7.2)
代理人 【識別番号】100079669
【弁理士】
【氏名又は名称】神戸 典和
発明者 長谷川 晃
要約 課題
流体の粘性による反力の大きさを比較的自由に変化させることができる反力発生装置を得る。

解決手段
抵抗トルク発生機構72において、ロータ92がステアリングホイール40と連係して回転するようにされている。一方、ハウジング94は、自身に取り付けられた被駆動ギヤ104を介してモータ100によって回転駆動される。また、ハウジング94とロータ92との間に介在するシリコンオイル96によって、ハウジング94とロータ92との相対回転速度に応じて、反力の源力となる抵抗力が発生する。モータ100を制御することにより、ハウジング94の回転速度を、ハウジング94とロータ92との相対回転速度を増減させるように変化させることにより、上記抵抗力の大きさを増減させることができる。
特許請求の範囲
【請求項1】
ステアリングシステムに設けられて、操作部材になされる操舵操作に対する操作反力を発生させる反力発生装置であって、
前記操作部材と連係して回転する第1回転体と、
その第1回転体の回転軸線とほぼ平行な回転軸線回りに回転可能に、かつ、その第1回転体との相対回転に伴って前記第1回転体のある設定された面とそれに対向する自身のある設定された面とが相対移動するように配設された第2回転体と、
前記互いに対向する2つの面の間に介在し、前記対向する2つの面の相対移動の抵抗となる力である抵抗力を、前記操作反力の源力として発生させる抵抗力発生流体と、
前記第2回転体の回転速度を変化させる回転速度変更機構と
を備えることを特徴とする反力発生装置。
【請求項2】
当該反力発生装置が、(a)前記抵抗力発生流体を収容して回転可能に設けられたハウジングと、(b)そのハウジング内において、前記抵抗力発生流体と接触した状態で、そのハウジングの回転軸線とほぼ一致する回転軸線回りに回転可能に、かつ、そのハウジングとの相対回転に伴ってそのハウジングの内面の少なくとも一部をなすある設定された面とそれに対向する自身のある設定された面とが相対移動するように配設されたロータとを備え、それらハウジングとロータとの一方が前記第1回転体として機能し、他方が前記第2回転体として機能する構造とされた請求項1に記載の反力発生装置。
【請求項3】
当該反力発生装置が、
車体の一部に固定的に設けられて前記ハウジングと前記ロータとを回転可能に支持するケースを備えるとともに、前記ロータが前記第1回転体として機能し、前記ハウジングが前記第2回転体として機能するものであり、
前記回転速度変更機構が、
前記ケースの内部に付設された電機子と永久磁石との一方と、ハウジングの外部に付設された前記電機子と前記永久磁石との他方とを含んで構成された電磁式モータを、前記第2回転体としての前記ハウジングに回転駆動力を付与するための動力源である回転動力源として備える請求項2に記載の反力発生装置。
【請求項4】
当該反力発生装置が、(a)前記抵抗力発生流体を収容したハウジングと、(b)それぞれが、そのハウジング内において互いにほぼ一致する回転軸線回りにそのハウジングに回転可能に、かつ、それらの間に前記抵抗力発生流体を介在させた状態で支持されるとともに、相対回転に伴ってそれぞれのある設定された面どうしが相対移動するように配設された2つのロータとを備え、それらの一方のロータである第1ロータが前記第1回転体として機能し、他方のロータである第2ロータが前記第2回転体として機能する構造とされた請求項1に記載の反力発生装置。
【請求項5】
前記回転速度変更機構が、
前記ハウジングの内部に付設された電機子と永久磁石との一方と、前記第2ロータに付設された前記電機子と前記永久磁石との他方とを含んで構成された電磁式モータを、前記第2回転体としての前記第2ロータに回転駆動力を付与するための動力源である回転動力源として備える請求項4に記載の反力発生装置。
【請求項6】
当該反力発生装置が、前記回転速度変更機構を制御することにより前記操作反力の大きさを変更する回転制御部を備える請求項1ないし請求項5のいずれかに記載の反力発生装置。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、ステアリングシステムに配備された反力発生装置に関し、詳しくは、流体の粘性によって反力を発生させる反力発生装置に関する。
【背景技術】
【0002】
ステアリングシステムにおいて、反力発生装置を、例えば、運転者による操舵操作に対する反力を発生させるために用いることが検討されている。例えば、ステアバイワイヤ式のステアリングシステムは、転舵部と操作部とが機械的に分離され、電気的な制御の下、転舵部が備える動力源によって車輪を転舵させるように構成されたシステムであるため、転舵部の動きが操作部材に伝達されない。そのような場合には、操舵操作が軽くなりすぎるため、反力発生装置によって操作部材に反力を付与することが望ましいのである。下記〔特許文献1〕には、反力モータを用いて操舵操作に対する反力を付与する技術が記載されている。
【特許文献1】特開2004−34923
【特許文献2】特開2003−34255
【特許文献3】特開2002−337710
【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〔特許文献1〕の技術では、操作部材が中立位置から回転し始めてから実際に反力が付与されるまでのタイムラグを無くすことは困難である。一方、流体の粘性による反力を付与する場合には、上記タイムラグの問題は発生しない。そのことから、発明者は操舵操作に対する反力を流体の粘性によって発生させる反力発生装置に想到した。しかし、流体の粘度が同じであれば、流体の粘性による反力を変化させることは難しい。本発明は、そういった問題を鑑みてなされたものであり、操舵操作に対する反力の大きさを、比較的自由に変化させることができ得る反力発生装置を得ることを課題としてなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【0004】
上記課題を解決するために、本発明の反力発生装置は、ステアリングシステムに設けられて、操作部材になされる操舵操作に対する操作反力を発生させる装置であって、(a)操作部材と連係して回転する第1回転体と、(b)その第1回転体の回転軸線とほぼ平行な回転軸線回りに回転可能に、かつ、その第1回転体との相対回転に伴って第1回転体のある設定された面とそれに対向する自身のある設定された面とが相対移動するように配設された第2回転体と、(c)前記互いに対向する2つの面の間に介在し、前記対向する2つの面の相対移動の抵抗となる力である抵抗力を、前記操作反力の源力として発生させる抵抗力発生流体と、(d)前記第2回転体の回転速度を変化させる回転速度変更機構とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【0005】
本発明の反力発生装置は、上記第2回転体の回転速度を上記回転速度変更機構によって変化(例えば、増加,減少等)させることにより、第1回転体と第2回転体との相対回転速度を変化させることができ、抵抗力発生流体が発生する抵抗力を変化させることができる。すなわち、本発明の反力発生装置は、操作反力の源力である上記抵抗力の大きさを変化させることにより、操作反力の大きさを、比較的自由に変化させることができる。なお、本発明の反力発生装置の各種態様およびそれらの作用および効果については、以下の、〔発明の態様〕の項において詳しく説明する。
【発明の態様】
【0006】
以下に、本願において特許請求が可能と認識されている発明(以下、「請求可能発明」という場合がある。)の態様をいくつか例示し、それらについて説明する。各態様は請求項と同様に、項に区分し、各項に番号を付し、必要に応じて他の項の番号を引用する形式で記載する。これは、あくまでも請求可能発明の理解を容易にするためであり、請求可能発明を構成する構成要素の組み合わせを、以下の各項に記載されたものに限定する趣旨ではない。つまり、請求可能発明は、各項に付随する記載,実施例の記載等を参酌して解釈されるべきであり、その解釈に従う限りにおいて、各項の態様にさらに他の構成要素を付加した態様も、また、各項の態様から構成要素を削除した態様も、請求可能発明の一態様となり得るのである。
【0007】
なお、以下の各項において、(1)項が請求項1に、(4)項が請求項2に、(5)項が請求項3に、(6)項が請求項4に、(7)項が請求項5に、(8)項が請求項6に、それぞれ相当する。
【0008】
(1)ステアリングシステムに設けられて、操作部材になされる操舵操作に対する操作反力を発生させる反力発生装置であって、
前記操作部材と連係して回転する第1回転体と、
その第1回転体の回転軸線とほぼ平行な回転軸線回りに回転可能に、かつ、その第1回転体との相対回転に伴って前記第1回転体のある設定された面とそれに対向する自身のある設定された面とが相対移動するように配設された第2回転体と、
前記互いに対向する2つの面の間に介在し、前記対向する2つの面の相対移動の抵抗となる力である抵抗力を、前記操作反力の源力として発生させる抵抗力発生流体と、
前記第2回転体の回転速度を変化させる回転速度変更機構と
を備えることを特徴とする反力発生装置。
【0009】
通常、操作部材と連係して回転する第1回転体が抵抗力発生流体に接触していれば、その抵抗力発生流体の粘性によって操作反力の源力となる抵抗力が発生する。その場合には、抵抗力の大きさは、第1回転体の回転速度に基づいて定まり、抵抗力発生流体の粘度が変わらなければ変化しない。しかしながら、本項に記載の反力発生装置は、第1回転体と第2回転体との間に介在する抵抗力発生流体の剪断速度が、それら第1回転体と第2回転体との相対回転速度(回転速度差)に応じて変化する構造とされている。そのため、仮に第1回転体の回転速度が変化しなくとも、第2回転体の回転速度を回転速度変更機構によって変化させることにより、抵抗力発生流体の剪断速度を変化させることができ、抵抗力発生流体が発生する抵抗力を変化させることができる。その抵抗力は操作反力の源力であり、その抵抗力の大きさを変化させることにより、操作反力の大きさを変化させることができるのである。すなわち、本発明の反力発生装置は、第2回転体の回転速度を変化させることによって、操作反力の大きさを、比較的自由に変化させることができるのである。
【0010】
具体的には、第1回転体と第2回転体との相対回転速度が減少するように第2回転体の回転速度を変化させれば、抵抗力発生流体の剪断速度が減少して、抵抗力発生流体が発生する抵抗力の大きさが減少するため、反力の大きさが減少する。逆に、第1回転体と第2回転体との相対回転速度が増加するように第2回転体の回転速度を変化させれば、抵抗力発生流体の剪断速度が増加して、抵抗力発生流体が発生する抵抗力の大きさが増加するため、反力の大きさが増加する。上述のように、本項に記載の反力発生装置によって反力の大きさを変化させることにより、例えば、後述するように、運転者の好みや,車両の走行状態等に基づいて、反力の大きさを随時変更することができる。
【0011】
回転速度変更機構は、例えば、第2回転体を第1回転体と同じ方向に回転させてそれらの相対回転速度を減少させることや、第2回転体を第1回転体と逆の方向に回転させてそれらの相対回転速度を増加させることができる。その相対回転速度を変化させるために、回転速度変更機構を、例えば、第2回転体に加わる制動力,あるいは駆動力を変化させる機構とすることができる。仮に、第2回転体が自由に回転できるようにされているとすれば、第2回転体は、抵抗力発生流体の粘性力によって第1回転体の回転に連れ回ることとなり、第1回転体と第2回転体との相対回転速度が小さい状態となる。その連れ回る第2回転体に制動力を付与すれば、第2回転体の連れ回り量が減少し、第1回転体と第2回転体との相対回転速度が増加するのである。その制動力を付与するために、回転速度変更機構を、例えば、第2回転体の回転に対して摩擦力を発生する機構とすることができる。その機構によって第2回転体が回転する際の抵抗となる力を増加あるいは減少させることにより、第2回転体が第1回転体によって連れ回される量がそれぞれ減少,あるいは増加するため、第2回転体の回転速度をそれぞれ減少,あるいは増加させることができる。その場合には、基本的に、第2回転体の回転速度を減少させると反力が増加し、回転速度を増加させると反力が減少する。
【0012】
また、例えば、次項に記載された態様のように、回転速度変更機構が第2回転体を回転駆動する動力源を備えるものであれば、第2回転体を駆動する力を増加あるいは減少させることにより、第2回転体の回転速度を変化させることができる。その場合には、基本的に、第1回転体の回転方向と逆向きの駆動力を増加させると相対回転速度が増加するため反力が増加し、逆向きの駆動力を減少させると相対回転速度が減少するため反力が減少する。なお、本項において、第2回転体の回転速度の変化には、例えば、単に第2回転体の回転速度を増減させること,第2回転体の回転方向を変えること(すなわち、回転速度の符号が変わることと同意である),第2回転体が回転している状態と停止している状態とを変えること(すなわち、回転速度が0である状態とそれ以外の状態)等が含まれる。
【0013】
第1回転体,第2回転体の形状は、特に限定されず、例えば、円板状,円筒状,円柱状,球状,円錐状等の形状、あるいはそれらを組み合わせた形状等とすることができる。例えば、第1回転体および第2回転体が、円板状をなすものであれば、例えば、それらの各々の円形をした面を互いに対向させ、それらの各々の回転軸線がほぼ一致するように配設された態様とすることができる。その態様において、第1回転体および第2回転体の各々の互いに対向する円形の面が、それら各々の「設定された面」であり、抵抗力発生流体が、それら対向する面の間に介在するようにされる。また、別の例として、第1回転体および第2回転体が、円筒状をなすものであれば、例えば、第1回転体が第2回転体の内側で互いの回転軸線がほぼ一致する状態で回転させられる態様とすることができる。その態様において、例えば、第1回転体のある設定された面となる外周面と、第2回転体のある設定された面となる内周面とがそれぞれ対向し、抵抗力発生流体が、それら対向する面の間に介在するようにされる。なお、第1回転体と第2回転体とは、接触しないように設定された距離だけ互いに離間して配設されており、抵抗力発生流体が介在していない状態では、一方の回転が他方に影響を与えないようにされていることが望ましい。第1回転体と第2回転体との、上記互いに対向する面の離間距離は、小さいほど剪断速度の変化を大きくすることができる
【0014】
第1回転体および第2回転体の互いに対向する面の各々は、回転によって互いに平行な軌道(例えば、回転軸線を中心とする円周)に沿って相対移動するようにされていることが望ましい。それは、第1回転体の回転方向における流体の剪断速度を効率よく変化させることができるからである。また、上記互いに対向する面が、比較的小さな角度(例えば、10度)で互いに交差する軌道に沿って相対移動するようにされていてもよい。例えば、第1回転体および第2回転体の各々の回転軸線が、平行でなく、比較的小さな角度で交差している場合や、平行ではあるが、一致せずに若干ずれている場合などが該当する。そのような場合であっても、第2回転体の面の移動方向が、第1回転体の面の移動方向と平行な方向の成分を含んでいれば、第1回転体の回転方向における流体の剪断速度を変化させることができるのである。
【0015】
本項に記載の態様において、操作部材は、特に限定されず、例えば、ステアリングホイール,操縦桿,レバー等、種々の形状のものを採用できる。その操作部材と第1回転体とを連係させるために、第1回転体を操作部材と機械的に連結することができる。例えば、第1回転体と操作部材とを、単に、回転軸によって直接的に連結することができ、その場合にはそれらが等しい回転速度で回転することとなる。また、例えば、第1回転体と操作部材とを減速機構,増速機構等を介して間接的に連結することができ、その場合にはそれらが異なる回転速度で回転することとなる。詳しくは、第1回転体が、操作部材の回転速度を一定の比率で小さく,あるいは大きくされた回転速度で回転することとなる。
【0016】
なお、第1回転体は運転者の操舵操作によって回転させられるのであるが、例えば、車輪側からの操作部材への逆入力や、ステアリングシステムに配備された他の反力発生装置(反力モータ,ばね部材等)等によっても回転させられるようにすることもできる。すなわち、本項に記載の反力発生装置は、運転者の操作力と,ステアリングシステムに起因する操作部材を回転させる力との合力(いずれか一方が0である場合を含む)によって回転させられた操作部材の回転に対して操作反力を発生させるものとすることができる。
【0017】
抵抗力発生流体には、例えば、オイル,グリース等を採用することができる。オイルは、例えば、シリコンオイル,化学合成油,鉱物油,植物油,またはそれらのうちの2以上のものを混合したもの等を含んで構成することができる。さらに、各種の添加剤を含んでいてもよい。シリコンオイルは、他のオイルと比較して温度変化による粘度の変化が小さいため、抵抗力発生流体に採用すれば流体の温度を一定に保ち易くなる。なお、抵抗力発生流体の粘度を一概に決定することは困難であるが、例えば、JIS K 2283:2000に規定される動粘度試験方法によって測定される動粘度が6,000(mm2/s)以上であることが望ましい。
【0018】
(2)前記回転速度変更機構が、前記第2回転体を回転駆動するための動力源である回転動力源を備える(1)項に記載の反力発生装置。
【0019】
回転速度変更機構が、回転動力源を備えていれば、第2回転体に、第1回転体の回転方向と同方向・逆方向に回転駆動力を付与することができる。その回転駆動力の向き,大きさを変化させることによって、操作反力の大きさを変化させることができる。動力源には、例えば、電磁式モータ,油圧モータ,空気圧モータ,超音波式モータ等を採用することができる。それら各モータを反力発生装置に採用する場合には、後述の電磁式モータの例のように、各モータを、その構成部品の一部が第2回転体に付設されたモータとすることもでき、また、別体の独立したモータとすることもできる。
【0020】
(3)前記回転動力源が、電磁式モータである(1)項または(2)項に記載の反力発生装置。
【0021】
電磁式モータを採用することにより、電圧・電流の制御によって、モータの回転速度,回転トルク等を制御することが容易となる。それら電磁式モータを反力発生装置に採用する場合には、電磁式モータの構成部品の一部が第2回転体に付設されたモータ、すなわち反力発生装置と一体的に設けられたモータとすることができ、また、別体の独立したモータとすることもできる。その反力発生装置と一体的に設けられたモータ,および別体に設けられたモータは、いずれも、ブラシ付モータ,ブラシレスモータ等のモータを採用することができる。
【0022】
(4)当該反力発生装置が、(a)前記抵抗力発生流体を収容して回転可能に設けられたハウジングと、(b)そのハウジング内において、前記抵抗力発生流体と接触した状態で、そのハウジングの回転軸線とほぼ一致する回転軸線回りに回転可能に、かつ、そのハウジングとの相対回転に伴ってそのハウジングの内面の少なくとも一部をなすある設定された面とそれに対向する自身のある設定された面とが相対移動するように配設されたロータとを備え、それらハウジングとロータとの一方が前記第1回転体として機能し、他方が前記第2回転体として機能する構造とされた(1)項ないし(3)項のいずれかに記載の反力発生装置。
【0023】
本項に記載の態様は、抵抗力発生流体を収容するハウジングが、第1回転体と第2回転体とのいずれか一方として機能する態様である。そのため、反力発生装置の構成要素を少なくすることができ、反力発生装置をシンプル,あるいはコンパクトなものにすることができる。具体的には、例えば、反力発生装置が、円板状の第1回転体が、両端が円板によって閉塞された短円筒状の第2回転体の内部で抵抗力発生流体に接した状態で回転するようにされた態様等とすることができる。その態様において、例えば、第1回転体が、第2回転体を貫通して操作部材と連係して回転する回転軸に固定されて、第2回転体とは別個にその回転軸とともに回転可能に保持されるようにすることができる。その際には、例えば、第2回転体が第1回転体とは別個に回転可能に保持され、あるいは、上記回転軸に相対回転可能かつ相対移動不能に取り付けられるようにすることができる。
【0024】
(5)当該反力発生装置が、
車体の一部に固定的に設けられて前記ハウジングと前記ロータとを回転可能に支持するケースを備えるとともに、前記ロータが前記第1回転体として機能し、前記ハウジングが前記第2回転体として機能するものであり、
前記回転速度変更機構が、
前記ケースの内部に付設された電機子と永久磁石との一方と、ハウジングの外部に付設された前記電機子と前記永久磁石との他方とを含んで構成された電磁式モータを、前記第2回転体としての前記ハウジングに回転駆動力を付与するための動力源である回転動力源として備える(4)項に記載の反力発生装置。
【0025】
例えば、ケースの内部に電機子を設け、ハウジングの外部に永久磁石を電機子と対向するように設ければ、電機子によって磁気を発生させることによって、永久磁石をハウジングの回転方向に動かすことができ、つまり、ハウジングに回転駆動力を作用させることができる。本項に記載の態様は、別体の電磁式モータを備える必要が無く、また、ハウジングをモータの回転子として利用するため、反力発生装置をシンプルにすることができる。なお、電機子は、例えば、鉄心等のコアとそのコアに巻回されたコイル線とを含んで構成されるものであってもよく、また、コイルを主体としてコアを有しないようなものであってもよい。
【0026】
(6)当該反力発生装置が、(a)前記抵抗力発生流体を収容したハウジングと、(b)それぞれが、そのハウジング内において互いにほぼ一致する回転軸線回りにそのハウジングに回転可能に、かつ、それらの間に前記抵抗力発生流体を介在させた状態で支持されるとともに、相対回転に伴ってそれぞれのある設定された面どうしが相対移動するように配設された2つのロータとを備え、それらの一方のロータである第1ロータが前記第1回転体として機能し、他方のロータである第2ロータが前記第2回転体として機能する構造とされた(1)項ないし(3)項のいずれかに記載の反力発生装置。
【0027】
本項に記載の態様は、ハウジング内に2つのロータが設けられ、第1ロータが操作部材と連係して回転し、第2ロータの回転速度が回転速度変更機構によって変更される態様である。また、本項の態様は、ハウジングを回転させることなく、比較的簡便に、反力発生装置を構成することができる。
【0028】
(7)前記回転速度変更機構が、
前記ハウジングの内部に付設された電機子と永久磁石との一方と、前記第2ロータに付設された前記電機子と前記永久磁石との他方とを含んで構成された電磁式モータを、前記第2回転体としての前記第2ロータに回転駆動力を付与するための動力源である回転動力源として備える(6)項に記載の反力発生装置。
【0029】
本項に記載の態様は、回転速度変更機構が電磁式モータを備えており、その電磁式モータの構成部品である電機子と永久磁石との一方がハウジングの内部に、他方が第2ロータに付設された態様である。また、本項に記載の態様は、別体の電磁式モータを備える必要が無く、また、第2ロータをモータの回転子の一部として利用するため、反力発生装置をコンパクトにすることができる。なお、電機子は、例えば、鉄心等のコアとそのコアに巻回されたコイル線とを含んで構成されるものであってもよく、また、コイルを主体としてコアを有しないようなものであってもよい。
【0030】
(8)当該反力発生装置が、前記回転速度変更機構を制御することにより前記操作反力の大きさを変更する回転制御部を備える(1)項ないし(7)項のいずれかに記載の反力発生装置。
【0031】
回転制御部を設けることにより、例えば、車両等の走行状態等に応じて第2回転体の回転速度,回転トルク等を適切に制御することができる。
【0032】
(9)前記回転速度変更機構が、前記第2回転体に回転駆動力を付与するための動力源である回転動力源としての電磁式モータを備え、前記回転制御部が、前記電磁式モータの電流値をフィードバックして前記電磁式モータの制御を行うものである(8)項に記載の反力発生装置。
【0033】
電磁式モータの電流値から、モータの駆動トルクを取得することができ、また、モータの駆動トルクから第2回転体に加わる抵抗力による生ずる抵抗トルクが取得できる。第2回転体に作用する抵抗トルクから第1回転体に作用する抵抗トルクを推測すれば、電磁式モータの電流値から第1回転体に実際に作用する抵抗トルクが推測できることになる。したがって、本項に記載の反力発生装置は、第1回転体に実際に加わる抵抗トルクと相関関係のあるモータの電流値をフィードバックして制御を行うため、より適度な反力を発生させることができる。
【0034】
(10)前記回転制御部が、前記第2回転体の回転速度を、前記第1回転体の回転速度に応じて変化させるように制御するものである(8)項または(9)項に記載の反力発生装置。
【0035】
前記第2回転体の回転速度を、前記第1回転体の回転速度に応じて変化させるように制御することにより、例えば、比較的容易に、反力を一定の割合で増加,あるいは減少させることができる。そのため、あたかも、抵抗力発生流体の粘度を変化させたかのように,あるいは反力発生装置の特性を変化させたかのように、抵抗トルクを発生させることができる。
【0036】
(11)前記回転制御部が、前記第2回転体の回転速度を、車両の走行状態に応じて変化させるように制御するものである(8)項ないし(10)項のいずれかに記載の反力発生装置。
【0037】
例えば、車両の場合には、走行速度,路面の摩擦係数(高μ路,低μ路等),路面の凹凸の多さ(車輪からの逆入力が多いか否か)等の状態に応じて第2回転体の回転速度等を制御することができるのである。具体的には、例えば、雪道(低μ路)を走行している状態では、急激な操舵操作を防止するため、反力が大きくなるように第2回転体の回転速度を制御することができる。
【0038】
(12)前記回転制御部が、前記第2回転体の回転速度を、車速に応じて変化させるように制御するものである(11)項に記載の反力発生装置。
【0039】
例えば、車両の場合には、高速度走行時には、急激な操舵操作を防止するために反力を増加させ、低速度走行時には、操舵操作を軽快にするために反力を減少させるといった制御を行うことができ、高速走行時における操作部材の安定性と、低速走行時における操作の軽快性とを両立させることができる。また、前記第2回転体の回転速度の制御は、高速と低速との2段階で切り換えるだけでなく、3段階以上,あるいは無段階で(連続的に)切り換えることもできる。
【実施例】
【0040】
以下、本発明の一実施例およびその変形例を、図を参照しつつ詳しく説明する。なお、本発明は、決して下記の実施例に限定されるものではなく、下記実施例の他、前記〔発明の態様〕の項に記載された態様を始めとして、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した種々の態様で実施することができる。
【0041】
1. 車両用ステアリングシステムの概要.
図1に、本発明の一実施例である反力発生装置10、およびそれを備えたステアリングシステム20の反力の発生に関連性の深い部分を模式的に示す。ステアリングシステム20は、操舵操作(以後、単に「操作」と称する場合がある)がなされる操作部30と車輪を転舵する動力源たる転舵モータを備えた転舵部32とを含んで構成されている。本実施例において、ステアリングシステム20は、いわゆるステアバイワイヤ式のステアリングシステムとして構成されており、操作部30と転舵部32とが機械的に分離されている。そして、操作部30において検出された操作に基づいて、転舵部32が電気的に制御されることにより、車輪の転舵が行われる。
【0042】
操作部30は、操作部材たるステアリングホイール40と,車体によって回転可能に保持されて一端部にステアリングホイール40が取り付けられた回転軸たる操作軸42と,操作軸42の回転位置を検出するためのエンコーダ44と,ステアリングホイール40になされた操作に基づいて転舵部32に制御信号を送信する電子制御装置46とを備えている。操作軸42は、車体に固定された保持部材48に、軸受を介して回転可能に保持されている。ステアリングホイール40が操舵操作によって回転させられると、すなわち回転操作されると、操作軸42が同じ角速度で回転させられ、その操作軸42の回転に応じてパルス信号がエンコーダ44から電子制御装置46に出力される。電子制御装置46は、パルス信号に基づいて操作軸42の回転速度,回転位置等の情報を取得し、回転位置等の情報を転舵部32の制御を行う際に利用する。一方、電子制御装置46からの制御信号を受信した転舵部32は、自身が備える駆動回路によって、その制御信号に従い転舵モータに電力を供給して車輪を転舵させる。
【0043】
本ステアリングシステム20は、上述のように操作部30と転舵部32とが機械的に連結されていないため、転舵部32の力によってステアリングホイール40が中立位置に戻ることはない。そのため、操作部30には、ステアリングホイール40を中立位置に戻すための中立位置復帰機構が設けられている。その中立位置復帰機構は、捩ればね50を備えており、その捩ればね50の一端部が操作軸42に固定され、他端部が車体52に固定されている。そのため、操舵操作がなされたステアリングホイール40とともに操作軸42が回転させられると、捩られられた捩ればね50は、その弾性力によって操作軸42を中立位置に向かう向きに回転させるように付勢するのである。その結果、操作力が加わらない状態では、ステアリングホイール40は、中立位置に向かう向きに回転させられ、中立位置で停止させられるのである。また、捩ればね50の付勢力は操作軸42の回転角度が大きいほど大きいものとなる。
【0044】
2. 反力発生装置.
操作部30には、ステアリングホイール40を回転操作する運転者が適度な手応えを感じるように、操作軸42の回転動作に対しての反力トルク(ステアリングホイール40の回転方向と逆の方向に作用するトルク)を発生させる反力発生装置10が設けられている。反力発生装置10は、操作連係機構70,抵抗トルク発生機構72,および回転速度変更機構74を含んで構成されている。操作連係機構70は、ロータ92をステアリングホイール40と連係して回転させるように機械的に連結する機構であり、操作軸42に相対回転不能に固定された大径ギヤ80と、その大径ギヤ80と噛み合う小径ギヤ82とを備えている。抵抗トルク発生機構72は、小径ギヤ82と一体的に回転する回転軸90,その回転軸90と一体的に回転する第1回転体たるロータ92,回転軸90と相対回転可能に設けられた第2回転体たるハウジング94,およびそのハウジング94内部に収容された抵抗力発生流体たるシリコンオイル96を含んで構成されている。なお、回転軸90は、車体に固定された保持部材88に、軸受を介して回転可能かつ移動不能に保持されている。
【0045】
また、本実施例において、操作軸42の回転が、大径ギヤ80および小径ギヤ82によって増速されて、回転軸90が回転させられるようにされている。その回転軸90が回転させられてロータ92とハウジング94とが相対回転させられると、抵抗トルク発生機構72によって、その相対回転に対する抵抗となるトルクである抵抗トルクが発生する。その抵抗トルクは、大径ギヤ80および小径ギヤ82によって減速されて、反力トルクとして操作軸42に伝達される。なお、本実施例において、大径ギヤ80および小径ギヤ82を含んで、操作軸42の回転を増速して回転軸90に伝達する増速機構が構成されている。
【0046】
回転速度変更機構74は、回転動力源たるモータ100(電磁式モータである),そのモータ100の駆動軸に固定されたスプロケット102,およびハウジング94に固定されてスプロケット102により回転駆動されてハウジング94に回転駆動力を伝える被駆動ギヤ104を含んで構成されている。モータ100は、エンコーダを内蔵しており、そのエンコーダによって駆動軸の回転に応じてパルス信号が電子制御装置46に出力される。また、モータ100は、制動機構として、無励磁作動型の電磁ブレーキ101を備えており、モータ100の停止時には駆動軸が回転しないように、ばね部材に付勢されたブレーキライニングのよって制動され、作動時には電磁コイルの電磁力によってブレーキが解除されて駆動軸が回転可能とされる。
【0047】
図2に、抵抗トルク発生機構72を拡大して示し、詳細に説明する。ハウジング94は、外形形状が概ね短円柱状をなし、また、一方の端部が開口する第1容器体120と、その開口端部を塞ぐ第2容器体122とが液密に組み付けられて構成されている。それら第1容器体120および第2容器体122の各々の中央には、それぞれ軸穴126,128が設けられている。ハウジング94は、それら軸穴126,128を挿通させられた回転軸90によって、軸受130を介して、相対回転可能かつ相対移動不能に支持されている。また、軸穴126,128の各々と回転軸90との間には、シール部材132が設けられており、ハウジング94内部が液密な状態に保たれている。なお、第2容器体122には、被駆動ギヤ104が固定されている。
【0048】
ロータ92は、円板状をなしており、回転軸90に相対回転不能かつ相対移動不能に固定され、ハウジング94と接触しない状態でハウジング94の回転軸線とロータ92の回転軸線とが一致するように配設されている。そのロータ92は、それぞれがロータ92の設定された面である外周面140および円形の2つの側面142を有しており、それらロータ92の3つの設定された面の各々が、それぞれがハウジング94の設定された面である内周面144および円形の2つの内側面146の各々と対向するように配設されている。それら互いに対向する面は、ロータ92とハウジング94との相対回転に伴って、周方向に相対移動するようにされているのである。
【0049】
ハウジング94の内部にはシリコンオイル96が充填されており、ロータ92およびハウジング94の、上記互いに対向する面の間にシリコンオイル96が介在する状態とされている。そのシリコンオイル96は、上記互いに対向する面の相対移動によって剪断され、その剪断速度に応じた抵抗力を発生させる。抵抗トルク発生機構72は、シリコンオイル96の抵抗力によって、ロータ92とハウジング94との相対回転に対する抵抗トルクを発生させるのである。
【0050】
3. 電子制御装置.
電子制御装置46は、コンピュータを主体とした装置であり、CPU,RAM,ROM,I/O(入出力インタフェース),およびそれらをつなぐバス等を含んで構成されている。I/Oには、エンコーダ44,車速度センサ200,モード切替スイッチ202,および反力レベルスイッチ204が接続されている。また、I/Oには、駆動回路210を介してモータ100が接続されている。さらにまた、I/Oには、転舵部32が接続されている。
【0051】
4. 反力発生装置の作動.
反力発生装置72の作動の理解を容易にするために、まず、ハウジング94の回転が禁止された状態で、ステアリングホイール40の回転操作に対して発生する反力トルク(ステアリングホイール40の回転方向と逆の方向に作用するトルク)について説明する。ステアリングホイール40が回転操作されると、そのステアリングホイール40の回転速度(詳しくは、回転角速度)が、ギヤ80,82によって一定の比率で増速されて、ロータ92が回転する。そして、ロータ92とハウジング94との間に介在するシリコンオイル96の粘性により、回転速度に応じた抵抗トルクがロータ92に作用する。図3に、ロータ92の回転速度と抵抗トルクとの関係を示す曲線を示す。なお、横軸に回転速度、縦軸にロータ92に作用する抵抗トルクを表す。ステアリングホイール40の回転速度が大きいほど、ロータ92の回転速度が大きくなるため、抵抗トルク発生機構72が発生する抵抗トルクが大きくなり、反力トルクも大きくなる。その回転速度と抵抗トルクとの関係、すなわち反力発生装置10の特性は、通常、シリコンオイル96の粘度を変えたり、反力発生装置72の設計を変えたりしなければ変化しない。しかしながら、本実施例において、ハウジング94の回転速度を変化させることによって、シリコンオイル96の粘度等を変えることなく、抵抗トルクの大きさを変えることができ、反力トルクの大きさを変えることができるのである。
【0052】
本実施例において、電子制御装置46は、モード切替スイッチ202を備えており、運転者によって反力制御モードが選択される。その反力制御モードの選択によって、反力の大きさをどのように変化させるかが選択される。反力制御モードは、(i)マニュアルモード,(ii)自動切り換えモードのうちいずれかが選択される。(i)マニュアルモードは、運転者が、反力の大きさのレベルの大小を決定するモードである。そして、運転者が反力レベルスイッチ204によって反力レベルを切り換えない限り、選択された反力レベルは変わらない。すなわち、マニュアルモードでは、走行状態等が変化しても、反力の増減の度合いは変わらないようにされるのである。そのマニュアルモードが選択された場合には、さらに、運転者が、反力レベルスイッチ204によって反力レベル「大」または「小」のいずれかを選択するようにされている。運転者により、反力レベル「大」が選択された場合には、ステアリングホイール40に、大きめの反力が付与され、反力レベル「小」が選択された場合には、ステアリングホイール40に、小さめの反力が付与される。(ii)自動切り換えモードは、本実施例において、車速度に応じて反力レベルを自動的に切り換えるモードである。具体的には、電子制御装置46の制御によって、高速度走行時には、急激な操作を抑制するために反力が比較的大きくされ、通常走行時には、操作を軽快にするために反力が比較的小さくされる。
【0053】
まず、(i)マニュアルモードについて詳細に説明する。反力レベル「大」が選択された場合には、ハウジング94が回転しないようにモータ100が停止状態とされ、モータ100の駆動軸が電磁ブレーキによって制動されて回転不能とされる。本実施例において、ハウジング94を回転させない状態で発生する抵抗トルクが比較的大きくなるようにシリコンオイル96が選択されている。そのため、ハウジング94が回転しない状態で、ステアリングホイール40が回転操作された際に、反力レベル「大」に相当する抵抗トルクが発生するようにされているのである。その抵抗トルクは、回転速度に応じて、図4のaに示すような曲線となる。その図4のaに示すように回転速度に応じて発生する抵抗トルクを標準抵抗トルクTsと称する。
【0054】
一方、反力レベル「小」が選択された場合には、ハウジング94がロータ92と同じ回転方向に回転させられて、ハウジング94とロータ92との相対回転速度が小さくされる。ハウジング94とロータ92との相対回転速度が小さくなれば、シリコンオイル96によって発生する抵抗トルクが小さくなり、ステアリングホイール40に付与される反力トルクを小さくすることができるからである。
【0055】
反力レベル「小」が選択された場合の電子制御装置46によるモータ100の制御について詳細に説明する。電子制御装置46は、エンコーダ44のパルス信号に基づいて、ステアリングホイール40の回転速度を演算し、そのステアリングホイール40の回転速度に基づいてロータ92の回転速度を算出する。上述の標準抵抗トルクTsとロータ92の回転速度との関係は電子制御装置46の記憶部に記憶されており、算出された回転速度に対応する標準抵抗トルクTsが求められる。反力レベル「小」が選択された場合において、回転速度に応じて発生させるべき目標となる抵抗トルクである目標抵抗トルクToの大きさは、次式に示すように、上記標準抵抗トルクTsに定数CL(CL<1、例えば、0.7)が乗じられて求められる(図4のb)。
[式1−1]To=CL・Ts
【0056】
ところで、ステアリングホイール40に付与される反力トルク(ステアリングホイール40の回転方向と逆方向に作用するトルク)は、ロータ92に作用するシリコンオイル96からの抵抗トルク(ロータ92の回転方向と逆方向に作用するトルク)が大径ギヤ80および小径ギヤ82によって増大させられて伝達されたトルクである。そのロータ92がシリコンオイル96から受ける抵抗トルクは、ロータ92とハウジング94との互いに対向する面が相対移動する際のシリコンオイル96の剪断速度に応じて発生する抵抗力の作用によるものであり、ロータ92とハウジング94とにはそれぞれ等しい大きさで逆向きの抵抗トルクが作用することとなる。そのため、ハウジング94がシリコンオイル96から受ける抵抗トルクから、ロータ92がシリコンオイル96から受ける抵抗トルクが取得でき、さらには、ステアリングホイール40に付与される反力トルクをも取得できるのである。また、ハウジング94がシリコンオイル96から受ける抵抗トルクは、モータ100の駆動トルクに基づいて取得することができ、その駆動トルクは、駆動回路210によって取得されるモータ100の電流値から推測される。すなわち、ステアリングホイール40に付与される反力トルクの大きさは、ロータ92が受ける抵抗トルクの大きさによって定められ、その抵抗トルクの大きさと、モータ100の電流値との間には相関関係があるのである。
【0057】
以上のことを踏まえてモータ100の制御について引き続き説明する。本実施例において、ステアリングホイール40に付与されるべき目標抵抗トルクToと、モータ100の目標となる電流値である目標電流値との関係が試験によって予め求められており、電子制御装置46のROM,RAM等の記憶部に記憶されている。そのため、電子制御装置46は、回転速度に応じた標準抵抗トルクTsを取得し、その標準抵抗トルクTsに定数CLを乗じて目標抵抗トルクToを取得し(式1−1参照)、その目標抵抗トルクToに応じた目標電流値を演算することができる。すなわち、ロータ92の回転速度に応じた、反力レベル「小」の目標抵抗トルクToを付与するための目標電流値が取得されるのである。
【0058】
従って、ステアリングホイール40が回転操作された際には、その回転速度に応じた上記反力レベル「小」の目標電流値が演算され、その目標電流値に基づいて駆動回路210を介してモータ100に電力が供給される。また、モータ100の実際の電流値(実電流値)が駆動回路210によって取得されており、その実電流値と目標電流値との偏差を減少させるように、モータ100に供給する電力が決定され、供給される。すなわち、本実施例において、実電流値をフィードバックしてモータ100を制御することにより、ステアリングホイール40に付与される反力トルクが適切になるようにされているのである。以上に述べたような処理が、電子制御装置46によって比較的短時間間隔で繰り返し行われて、ステアリングホイール40に付与される反力トルクが制御されているのである。なお、本実施例において、電子制御装置46は、反力トルクと相関関係のあるハウジング94を回転駆動するモータ100の駆動トルクを制御している。また、ハウジング94の回転速度を制御することもでき、それについては後述する。
【0059】
なお、モータ100に供給される電力は、ハウジング94をロータ92と反対向きに回転させる駆動力が発生するようにされる。すなわち、本実施例において、モータ100によってハウジング94に制動力を付与することにより、ロータ92の回転によるハウジング94の連れ回りを抑制しているのである。その制動力を変化させることにより、ハウジング94がロータ92に連れ回る速度を変化させることができる。また、ハウジング94が回転しない状態と比較して、制動力を減少させることにより、ハウジング94の回転速度を増加させて、ハウジング94がロータ92に連れ回る速度を増加させ、ハウジング94とロータ92との相対回転速度を小さくし、シリコンオイル96が発生する抵抗力を減少させているのである。
【0060】
続いて、(ii)自動切り換えモードについて詳細に説明する。本モードにおいて、車速度に応じて反力レベルが4段階に自動的に変化させられる。詳しくは、設定時間内における平均車速度Vaが演算され、その平均車速度Vaが3つのしきい速度V1,V2,V3(V1<V2<V3)と比較されて、反力レベルが決定されるのである。
【0061】
具体的に説明する。電子制御装置46は、車速度センサ200の出力信号に基づいて車速度Vを比較的短時間間隔毎に取得しており、設定時間前から現時点までの間の車速度Vの平均値である平均車速度Vaを演算する。その平均車速度Vaがしきい速度V1未満である場合には、標準抵抗トルクTsに定数C1が乗じられて目標抵抗トルクToが取得される。その他の場合もほぼ同様であり、以下に目標抵抗トルクToを求める式を示す(図5参照)。
[式2−1]Va<V1 : To1=C1・Ts
[式2−2]V1≦Va<V2 : To2=C2・Ts
[式2−3]V2≦Va<V3 : To3=C3・Ts
[式2−4]Va≧V3 : To4=C4・Ts
なお、V1<V2<V3、かつ、0≦C1<C2<C3<C4=1とする。
【0062】
Va≧V3の場合には、マニュアルモードにおいて、反力レベル「大」が選択された際の制御と同様な処理が行われる。すなわち、簡単に説明すると、モータ100が電磁ブレーキ101によって制動されて、ハウジング94が回転不能にされるのである。そのため、ロータ92に対するハウジング94の連れ回りが禁止されて、ハウジング94とロータ92との相対回転速度が減少しなくなり、抵抗トルクが低下しなくなる。
【0063】
Va<V3の場合には、それぞれ、マニュアルモードにおいて、反力レベル「小」が選択された際の制御とほぼ同様な処理が行われる。すなわち、簡単に説明すると、目標抵抗トルクTo1,2,3のいずれかが取得されると、その目標抵抗トルクTo1,2,3のいずれかに応じた目標電流値が演算される。そして、その目標電流値に基づいてモータ100に供給する電力が決定され、供給される。さらに、モータ100の実電流値がフィードバックされ、その実電流値と目標電流値との偏差を減少させるようにモータ100に供給する電力が決定され、供給される。このような、フィードバック制御によって、ステアリングホイール40の回転操作に対して、その平均車速度Vaに応じたレベルの反力が精度よく付与されるのである。
【0064】
なお、操作部30には、前述のように中立位置復帰機構が設けられており、ステアリングホイール40には、中立位置復帰機構の捩ればね50によって中立位置に戻す向きの付勢力が付与されている。そのため、いずれかの方向に回転操作された後、運転者がステアリングホイール40を握る力を緩めた時,あるいはステアリングホイール40から手を離した時などには、ステアリングホイール40が捩ればね50の付勢力によって中立位置に戻る向きに回転させられる。その際のステアリングホイール40の回転は、直接的な操舵操作によるものではないが、そのステアリングホイール40の回転に対しても反力発生装置10による反力が回転速度に応じて発生させられる。すなわち、本実施例において、反力発生装置10は、操舵操作だけでなく、それ以外のステアリングホイール40を回転させる力に対して、反力を発生させるものとされているのである。
【0065】
本実施例において、ロータ92の回転速度に応じて決定される目標電流値と、フィードバックされた実電流値との偏差を減少させる制御を行っていた。その制御では、モータ100に供給する電流を制御しており、モータ100に供給される電流値はモータ100の駆動トルクと相関関係があるため、上記制御を「駆動トルク制御」と称することとする。なお、その駆動トルク制御では、ハウジング94に加わる抵抗トルクが目標抵抗トルクToとなるようにモータ100の駆動トルクが制御されていた。その駆動トルク制御に代えて、モータ100の回転速度をフィードバックして制御することができる。その制御を「回転速度制御」と称する。その回転速度制御では、ハウジング94の回転速度が目標となる回転速度になるようにモータ100の回転速度が制御される。その回転速度制御について以下に説明する。なお、回転速度制御について、上記駆動トルク制御と同様な部分が多いため、異なる部分を中心に説明する。また、(i)マニュアルモードにおいて、反力レベル「大」が選択された場合、あるいは(ii)自動切り換えモードにおいて、Va≧V3であった場合には、駆動トルク制御と同様に、電磁ブレーキ101によってハウジング94の回転が禁止される。
【0066】
上記駆動トルク制御において、ハウジング94が回転しない場合に発生すべき反力を標準抵抗トルクTsとして、その反力レベルに応じた目標抵抗トルクToを求め、その目標抵抗トルクToを実現するための目標電流値が取得された。一方、「回転速度制御」では、第1回転体たるロータ92の回転速度ωr(詳しくは、回転角速度である)に基づいて、ハウジング94の目標回転速度ωoが演算される。具体的には、式3−1に示すように、ωrに定数Dが乗じられてωoが求められる。
[式3−1]ωo=D・ωr
【0067】
上記駆動トルク制御と対比する。(i)マニュアルモードにおいて、反力レベル「小」が選択された場合には、D=DL(0<DL<1、例えば、0.3)とされてωoが演算される。なお、ωoはωrと同符号であり、ハウジング94はロータ92と同じ方向に回転させられる。本実施例において、ハウジング94が回転しない状態で、反力が比較的大きくなるようにされているため、ロータ92とハウジング94との相対回転速度を小さくして反力を小さくするためである。
【0068】
また、(ii)自動切り換えモードにおいて、Va<V3であった場合には、ωo1,2,3は次の式によって求められる。
[式4−1]Va<V1 : ωo1=D1・ωr
[式4−2]V1≦Va<V2 : ωo2=D2・ωr
[式4−3]V2≦Va<V3 : ωo3=D3・ωr
なお、V1<V2<V3、かつ、1≧D1>D2>D3>0とする。
【0069】
一方、ハウジング94の実回転速度(詳しくは、実際の回転角速度である)は、モータ100の回転速度に基づいて取得される。電子制御装置46は、モータ100に備えられたエンコーダによって出力されるパルス信号に基づいて、モータ100の回転速度を取得する。モータ100とハウジング94とはスプロケット102および被駆動ギヤ104を介して連結されており、モータ100の実際の回転速度からハウジング94の実回転速度を取得することができるのである。
【0070】
従って、本回転速度制御において、フィードバックされたモータ100の実際の回転速度から求められたハウジング94の実回転速度と、ハウジング94の目標回転速度ωoとの偏差を減少させるように、モータ100に供給する電力が決定され、供給されるのである。このような制御を行うことにより、ロータ92の回転速度を一定の割合で減少させた場合と同様な反力を得ることができる。
【0071】
なお、本実施例において、電子制御装置46の、上記駆動トルク制御,回転速度制御等の制御を行う部分を含んで前記回転制御部が構成されている。なお、また、本実施例において、電磁ブレーキ101によってハウジング94の回転が禁止されていたが、モータ100が回転しないように制御することによってハウジング94の回転を禁止することもできる。
【0072】
本実施例において、抵抗トルク発生機構72に、比較的高い粘度のシリコンオイル96を用いて、ハウジング94が回転しない状態で反力が大きくなるようにされていた。このように、比較的粘度の高い抵抗力発生流体を用いることにより、ステアリングホイール40が停止状態から回転し始めると同時に、素早く反力を付与することができる。通常、反力モータによって反力を付与する場合には、その反力モータの回転角度を検出するセンサの分解能力,電子制御装置の演算能力等に起因して、ステアリングホイール40が回転し始めてから反力が付与されるまでにタイムラグが生じると考えられる。しかし、抵抗力発生流体を用いた反力発生装置では、電磁気的にステアリングホイール40の回転を検出しなくとも、ステアリングホイール40と連係してロータ92が回転すれば、自然とロータ92に抵抗トルクが作用するため、素早く反力を付与することができるのである。また、高速度走行状態では、低速度走行状態と比較して、わずかな角度であったとしても回転操作が車両の走行状態へ与える影響が大きくなる。そのため、高速度走行状態において、例えば、ステアリングホイール40が中立位置から回転し始めると同時に比較的大きな反力を付与できるため、高速直進時の操舵感を向上させることができるのである。
【0073】
5. 変形例1.
上記実施例において、回転速度変更機構74に、回転動力源として抵抗トルク発生機構72とは別体のモータ100が備えられていたが、別体のモータ100とはせずに、モータを構成する永久磁石をハウジングに付設して、ハウジングをモータの回転子として機能させることもできる。すなわち、抵抗トルク発生機構を回転速度変更機構と一体的に構成することができるのである。その回転速度変更機構と一体的に構成された抵抗トルク発生機構は、実質的には、回転速度変更機構の回転動力源であるモータとが一体的に構成されたモータ一体型の抵抗トルク発生機構と捉えることができる。以後、回転速度変更機構と一体的に構成された抵抗トルク発生機構を、「モータ一体型の抵抗トルク発生機構」あるいは単に「抵抗トルク発生機構」と称する場合がある。図6に、モータ一体型の抵抗トルク発生機構300を示す。なお、ロータ92,ハウジング94等は上記実施例とほぼ同様であり、上記実施例における符号を付して説明は省略する。
【0074】
抵抗トルク発生機構300は、車体に固定されたケース302を備えており、そのケース302によって、回転軸306が回転可能かつ移動不能に保持されている。そのケース302は、外形形状が概ね短円柱状をなし、また、一方の端部が開口する第1支持部材310と、その開口端部を塞ぐ第2支持部材312とが組み付けられて構成されている。それら第1支持部材310および第2支持部材312の各々の中央には、それぞれ軸穴316,318が設けられている。ケース302は、軸穴316,318を貫通する回転軸306を、軸受320を介して、回転可能かつ移動不能に支持しているのである。なお、上記実施例と同様に、ロータ92は回転軸306に相対回転不能かつ相対移動不能に固定され、ハウジング94は回転軸306に軸受130を介して相対回転可能かつ相対移動不能に支持されている。以上のように、ケース302は、回転軸306を介して、ロータ92とハウジング94とを回転可能に支持しているのである。
【0075】
抵抗トルク発生機構300は、電磁式モータを構成する複数の電機子330と複数の永久磁石332とを備えている。それら複数の電機子330および複数の永久磁石332の各々は、それぞれケース302の内周面340,ハウジング94の外周面342に、周方向に並べられて配設されており、それら電機子330と永久磁石332とが径方向において互いに対向して相対回転するようにされている。複数の電機子330の各々は、コア350にコイル352が巻回されたものであり、図示を省略する配線によって駆動回路210に接続されている。また、複数の永久磁石332の各々は、図において径方向に着磁された磁石であり、周方向において隣り合う永久磁石332の着磁の向きが互いに逆になるように配設されている。
【0076】
電子制御装置46の制御により、駆動回路210を介して複数の電機子330の各々に電力が供給された際には、それら複数の電機子330の各々が発生する磁気によって、複数の永久磁石332に周方向への移動力が作用する。すなわち、本モータ一体型の抵抗トルク発生機構300において、ケース302,複数の電機子330,ハウジング94,および複数の永久磁石332を含んで電磁式モータであるモータ360が構成されているのである。また、モータ360は、永久磁石332が回転するブラシレスモータであり、電機子330に電力を供給する電源は直流とされるが、交流電源を用いることもできる。なお、本実施例において、回転速度変更機構は、モータ360を含んで構成されている。
【0077】
ハウジング94の第1支持部材310側の側面の外周部に、環状のコード板362が付設されている。そのコード板362の表面には、径方向に細長いラインが周に沿って多数形成されたものであり、ラインが存在する部分と存在しない部分との反射率が異なるようにされている。一方、ケース302には、コード板362の上記表面に対向するように光学センサ364が設けられている。その光学センサ364は、光源と受光素子とを有しており、光源によって光を放射し、受光素子によってコード板362からの反射光を検出するものである。ハウジング94が回転するとともにコード板362も一体的に回転するため、光学センサ364は反射率の変化に伴いパルス信号を出力するのである。なお、光学センサ364は、図示を省略する配線によって電子制御装置46に接続されている。電子制御装置46は、光学センサ364のパルス信号に基づいてハウジング94の回転速度を取得することができる。すなわち、コード板362および光学センサ364はエンコーダであり、上記実施例におけるモータ100のエンコーダと同様の機能を有しているのである。
【0078】
図7に、モータ一体型の抵抗トルク発生機構300(すなわち、回転速度変更機構と一体的に構成された抵抗トルク発生機構)を備えた反力発生装置370、およびそれを備えたステアリングシステム372の反力の発生に関連性の深い部分を模式的に示す。反力発生装置370は、モータと抵抗トルク発生機構とが一体化されているため、図1に示す反力発生装置10に比べて、コンパクトであることが分かる。本反力発生装置370の作動(制御を含む)については、上記反力発生装置10の作動とほぼ同様である。なお、本反力発生装置370には電磁ブレーキが設けられていないため、次の場合には上記実施例とは異なる制御が行われる。(i)マニュアルモードにおいて反力レベル「大」が選択された場合、あるいは(ii)自動切り換えモードにおいて平均車速度VaがV3以上であった場合には、電子制御装置46により、ハウジング94が回転しないようにモータ360が制御される。なお、前記無励磁作動型の電磁ブレーキ101と同様な機能を有する制動機構をケース302とハウジング94との間に設けて、その制動機構によってケース302とハウジング94との相対回転を禁止することもできる。
【0079】
上記モータ一体型の抵抗トルク発生機構300において、電機子330と永久磁石332とが互いに径方向において対向するように配設されていたが、図8に示すモータ一体型の抵抗トルク発生機構400(すなわち、回転速度変更機構と一体的に構成された抵抗トルク発生機構)のように、電機子330と永久磁石332とを互いに軸方向において対向するように配設することもできる。この抵抗トルク発生機構400は、車体に固定されたケース402を備えており、そのケース402によって、回転軸306が回転可能かつ移動不能に保持されている。そのケース402は、外形形状が概ね短円柱状をなし、また、一方の端部が開口する第1支持部材410と、その開口端部を塞ぐ第2支持部材412とが組み付けられて構成されている。第1支持部材410の中央には、軸穴416が設けられており、その軸穴416に軸受420が回転不能かつ移動不能に嵌合させられている。また、第2支持部材412の中央には、軸受保持部430が設けられている。その軸受保持部430は、そのハウジング94側の部分が円筒状の円筒部432とされており、その円筒部422の内周面に軸受436が回転不能かつ移動不能に嵌合させられている。そのケース402は、軸穴416および円筒部432において、それぞれ軸受420および軸受436を介して、回転軸306を回転可能かつ移動不能に支持しているのである。なお、上記実施例と同様に、ロータ92は回転軸306に相対回転不能かつ相対移動不能に固定され、ハウジング94は回転軸306に軸受130を介して相対回転可能かつ相対移動不能に支持されている。以上のように、ケース402は、回転軸306を介して、ロータ92とハウジング94とを回転可能に支持している。
【0080】
モータ一体型の抵抗トルク発生機構400は、電磁式モータを構成する複数の電機子330と複数の永久磁石332とを備えている。それら電機子330および永久磁石332は上記抵抗トルク発生機構300のものと同様である。それら複数の電機子330と複数の永久磁石332との各々は、それぞれ第2支持部材412の内側の面の外周部440,ハウジング94の第2支持部材412側の側面の外周部442に、周方向に並べられて配設されており、それら電機子330および永久磁石332が軸方向において互いに対向して相対回転するようにされている。複数の電機子330の各々は、コア350にコイル352が巻回されたものであり、図示を省略する配線によって駆動回路210に接続されている。また、複数の永久磁石332の各々は、図において軸方向に着磁された磁石であり、周方向において隣り合う永久磁石332の着磁の向きが互いに逆になるように配設されている。すなわち、本抵抗トルク発生機構400において、上記抵抗トルク発生機構300と同様に、ケース402,複数の電機子330,ハウジング94,および複数の永久磁石332を含んで電磁式モータであるモータ460が構成されているのである。
【0081】
本モータ一体型の抵抗トルク発生機構400は、上記モータ一体型の抵抗トルク発生機構300と同様にコンパクトであり、また、電機子330および永久磁石332の各々を、それぞれケース402(詳しくは、第2支持部材412の内側の面)の側面,ハウジング94の側面に配設しているため、径方向の寸法をコンパクトにできるというメリットがある。その他の構成や作動(制御)については、上記抵抗トルク発生機構300と同様であるため、抵抗トルク発生機構300と同様の符号を付して説明を省略する。
【0082】
6. 変形例2.
前記実施例において、抵抗トルク発生機構は、第2回転体たるハウジング94を回転させることにより、抵抗トルクの大きさを変化させるものであった。それに対し、抵抗トルク発生機構を、図9に示すように、ハウジングが車体に固定され、そのハウジング内に、第1回転体たる第1ロータと、その第1ロータの回転軸線と一致する軸線回りに回転する第2回転体たる第2ロータとの2つのロータを備えた抵抗トルク発生機構500とすることができる。また、図10に、抵抗トルク発生機構500を備えた反力発生装置501、およびそれを備えたステアリングシステム502の反力の発生に関連性の深い部分を模式的に示す。なお、本ステアリングシステム502は、前述のステアリングシステム20(図1),372(図8)と同様な部分が多く、同様な部分についてはそれらと同じ符号を付して説明を省略する。
【0083】
抵抗トルク発生機構500は、内部にシリコンオイル503を収容したハウジング504と、そのハウジング504に回転可能かつ移動不能に支持された回転軸506と、その回転軸506に相対回転不能かつ相対移動不能に固定された第1ロータ510と、回転軸504に相対回転可能かつ相対移動不能に支持された第2ロータ512とを備えている。ハウジング504は、外形形状が概ね短円柱状をなし、また、一方の端部が開口する第1容器体520と、その開口端部を塞ぐ第2容器体522とが液密に組み付けられて構成されている。それら第1容器体520および第2容器体522の各々の中央には、それぞれ軸穴526,528が設けられている。ハウジング504は、それら軸穴526,528を挿通させられた回転軸506によって、軸受530を介して、相対回転可能かつ相対移動不能に支持されている。また、軸穴526,528の各々と回転軸506との間には、シール部材532が設けられており、ハウジング504内部が液密な状態に保たれている。
【0084】
第1ロータ510は、円板状をなしており、回転軸90に相対回転不能かつ相対移動不能に固定され、その第1容器体520側の面が第1容器体520の内壁面に対向するように配設されている。第2ロータ512は、扁平な円柱形状をなしており、回転軸90に相対回転可能かつ相対移動不能に固定され、その第1容器体520側の面540が第1ロータ510の第2容器体522側の面542と対向するように配設されている。具体的には、第2ロータ512の中央には、貫通穴である被支持穴546が回転軸線方向に設けられており、第2ロータ512は、被支持穴546において回転軸506に軸受550を介して回転可能に支持されている。また、回転軸506には2つの軸受550に挟まれるように大径部552が設けられており、その大径部552によって軸受550の軸方向の移動が禁止され、第2ロータ512の軸方向の移動が禁止されている。本抵抗トルク発生機構500において、第1ロータ510と第2ロータ512との相対回転に伴い、第1ロータ510の設定された面である面542と、第2ロータ512の設定された面である面540とが周方向において相対移動するようにされている。
【0085】
また、抵抗トルク発生機構500は、モータ一体型の抵抗トルク発生機構(すなわち、回転速度変更機構と一体的に構成された抵抗トルク発生機構)とされており、電磁式モータを構成する複数の電機子330および複数の永久磁石332を備えている。複数の電機子330および複数の永久磁石332の各々は、それぞれ第1容器体520の内周面554,第2ロータ512の外周部に周方向に並べられて配設されている。なお、第2ロータ512の外周部において、その軸方向の2つの側面から外径方向に延び出した2つの鍔部556を有している。それら2つの鍔部556および第2ロータ512の外周面558に囲まれ、外周側に開いた空間に複数の永久磁石332が固定されているのである。それら複数の永久磁石332の各々は、図において径方向に着磁された磁石であり、周方向において隣り合う永久磁石332の着磁の向きが互いに逆になるように配設されている。また、複数の電機子330の各々は、コア350にコイル352が巻回されたものであり、図示を省略する配線によって駆動回路210に接続されている。
【0086】
なお、第2ロータ512の第2容器体522側の側面の内周部(被支持穴546の外周部)には、環状のマグネット570が、第2ロータ512と同軸的に付設されている。そのマグネット570は、周方向において多極着磁されており、軸方向の面において、周に沿って着磁の向きが多数回反転するようにされている。一方、第2容器体522の内側面の中央にマグネット570と同様な径の環状の基板支持部572が設けられており、その基板支持部572にFG(周波数発電機)基板574がマグネット570と対向するように付設されている。そのFG基板574は、周に沿って配置された矩形状の検出パターンが導電部材によって形成されており、マグネット570が回転した際には、その導電部材に電圧が発生するようにされている。また、FG基板574は、図示を省略する配線を介して電子制御装置46に接続されている。そのため、電子制御装置46は、FG基板574に発生する電圧に基づいて、マグネット570の回転速度、すなわち第2ロータ512の回転速度を取得することができる。
【0087】
以上のような構成により、電子制御装置46の制御により、駆動回路210から複数の電機子330に電力が供給され、第2ロータ512に回転駆動力が作用するのである。なお、本抵抗トルク発生機構500において、ケース504,電機子330,第2ロータ512,および永久磁石332を含んで、抵抗トルク発生機構と一体的に設けられた電磁式モータたるモータ560が構成されている。
【0088】
本抵抗トルク発生機構500の作動(制御を含む)については、上記抵抗トルク発生機構72の作動と同様な部分が多いため、異なる部分を中心に説明する。ハウジング504の内部には上述のようにシリコンオイル503が充填されており、第1ロータ510および第2ロータ512の、上記互いに対向する面542,540の間にシリコンオイル504が介在する状態とされている。また、第1ロータ510と第1容器体520との間にもシリコンオイル503が介在しており、第1ロータ510が回転する際には、第1ロータ510と第1容器体520との相対回転に対する抵抗トルクT1と、第1ロータ510と第2ロータ512との相対回転に対する抵抗トルクT2とが発生することとなる。本抵抗トルク発生機構500は、モータ560によって第2ロータ512の回転速度を変化させることによって、第1ロータ510と第2ロータ512との相対回転速度を変化させることができ、それらの間に発生する抵抗トルクT2の大きさを変化させることができるのである。
【0089】
本反力発生装置501においても、前述の反力発生装置10における「駆動トルク制御」とほぼ同様の制御が行われる。しかしながら、本抵抗トルク発生機構500において、上述の抵抗トルクT1,あるいは第2ロータ512と第2容器体522との相対回転に対する抵抗トルクT3の影響を考慮しなければならないため、やや複雑になる。以下に、前述の反力発生装置10における制御と対比しながら異なる部分を中心に説明する。なお、本反力発生装置501には電磁ブレーキが設けられていないため、次の場合には前記実施例とは異なる制御が行われる。(i)マニュアルモードにおいて反力レベル「大」が選択された場合、および(ii)自動切り換えモードにおいて平均車速度VaがV3以上であった場合には、電子制御装置46により、第2ロータ512が回転しないように制御される。なお、前記無励磁作動型の電磁ブレーキ101と同様の機能を有する制動機構を設けて、その制動機構によって第2ロータ512の回転を禁止することもできる。
【0090】
まず、前述の制御と同様に、第1回転体たる第1ロータ510の回転速度(詳しくは、回転角速度)に応じた標準抵抗トルクTsが取得され、その標準抵抗トルクTsに定数が乗じられて目標抵抗トルクToが求められる。標準抵抗トルクTsは、第2ロータ512の回転が禁止された状態において、第1ロータ510の回転速度に応じて発生する反力トルクであり、その標準抵抗トルクTsと回転速度との関係が電子制御装置46の記憶部に記憶されている。なお、本抵抗トルク発生機構500においても、抵抗トルク発生機構72と同様に、第2ロータ512が回転しない状態で、反力が高くなるようにシリコンオイル503の粘度が設定されている。目標抵抗トルクToは、次式に示すように、Tsに定数Eが乗じられて求められる。
[式5−1]To=E・Ts
【0091】
上記目標抵抗トルクToは、(i)マニュアルモードにおいて反力レベル「小」が選択された場合には、E=EL(EL<1、例えば、0.7)とされて求められる。また、(ii)自動切り換えモードにおいて平均車速度VaがV3未満であった場合には、次に示すようにして求められる。
[式5−2]Va<V1 : To1=E1・Ts
[式5−3]V1≦Va<V2 : To2=E2・Ts
[式5−4]V2≦Va<V3 : To3=E3・Ts
なお、V1<V2<V3、かつ、0≦E1<E2<E3<1とする。
【0092】
上記目標抵抗トルクToL、To1,2,3はいずれも標準抵抗トルクTsよりも小さいため、反力が小さくなるように第2ロータ512が第1ロータ510と同じ方向に回転させられる。なお、駆動トルク制御では、その目標抵抗トルクToを実現するためのモータ560の目標電流値を算出するのであるが、本抵抗トルク発生機構500の場合は、上述のT1,T3の影響を考慮して、上記目標電流値が算出される。その目標電流値の算出について以下に説明する。
【0093】
第1ロータ510に作用する抵抗トルクは、上述の抵抗トルクT1と抵抗トルクT2との和であり、抵抗トルクT1は第1ロータ510の回転速度によって定まる。その抵抗トルクT1の大きさは、発明の理解を容易にするために、単純に、標準抵抗トルクTsの半分とする。すなわち、第1ロータ510の回転速度に応じた標準抵抗トルクTsの半分の値が抵抗トルクT1とされるのである。なお、第2ロータ512を第1ロータ510と同じ回転速度で同じ方向に回転させた状態において第1ロータ510に作用する抵抗トルクの大きさを、予め試験により測定することもできる。
【0094】
抵抗トルクT2の目標となる目標抵抗トルクT2oは、目標抵抗トルクToからT1を引くことによって求められる。
[式5−5]T2o=To−T1
一方、実際の抵抗トルクT2の大きさは、第1ロータ510と第2ロータ512との相対回転速度と相関関係があり、それらの関係は電子制御装置46の記憶部に記憶されている。そのため、式5−5で求められた目標抵抗トルクT2oを発生させるための相対回転速度が求められ、その相対回転速度と第1ロータ510の回転速度(詳しくは、回転角速度である)とに基づいて、第2ロータ512の回転速度(詳しくは、回転角速度である)が算出される。なお、次に示すように、第1ロータ510の回転速度ω1から第2ロータ512の回転速度ω2を引くことによって相対回転速度Δωを求めることができる。また、ω1からΔωを引くことによってω2を求めることができる。
[式5−6]Δω=ω1−ω2
[式5−7]ω2=ω1−Δω
【0095】
式5−7で算出されたω2に基づいて、第2ロータ512の回転速度を制御することもできるが、その制御については後述する。ここで、第2ロータ512に作用する抵抗トルクTMは、抵抗トルクT2と抵抗トルクT3との和である。回転速度ω2における抵抗トルクT2の大きさは式5−5によって既に求められている。一方、抵抗トルクT3の大きさは、発明の理解を容易にするために、単純に、標準抵抗トルクTsの半分とする。なお、第2ロータ512を第1ロータ510と同じ回転速度で同じ方向に回転させた状態において、第2ロータ512に作用する抵抗トルクの大きさを予め試験により測定し、電子制御装置46の記憶部に記憶させておくこともできる。よって、抵抗トルクT3の大きさは、回転速度ω2における標準抵抗トルクTsの半分とされる。その結果、第2ロータ512に作用する抵抗トルクTMが算出される。また、前述と同様に、抵抗トルクTMとモータ560の電流値との関係は、電子制御装置46の記憶部に記憶されており、その抵抗トルクTMを実現するための目標電流値が取得される。
【0096】
一方、モータ560の実際の電流値である実電流値は、駆動回路210によって測定されている。そして、前述と同様に、電子制御装置46によって、フィードバックされた実電流値と、目標電流値との偏差が減少するように、モータ560に供給する電力が決定され、供給されるのである。以上に述べたような処理が、電子制御装置46によって短時間間隔毎に繰り返し実行されて、ステアリングホイール40に適切な反力を付与することができるのである。
【0097】
以上に述べた「駆動トルク制御」に代えて、「回転速度制御」を行うこともできる。
その回転速度制御において、前述の反力発生装置10の制御と同様に、第1回転体たる第1ロータ510の回転速度ωrに定数F(0≦F≦1)を乗じて、第2回転体たる第2ロータ512の目標回転速度ωoを求めることができる。一方、第2ロータ512の回転に伴い、上述のFG基板574が発生する電圧に基づいて、第2ロータ512の実回転速度が、電子制御装置46によって取得される。そのため、電子制御装置46により、フィードバックされた実回転速度と目標回転速度ωoとの偏差が減少するようにモータ560に供給する電力が決定され、供給される。このような処理が、電子制御装置46によって短時間間隔毎に繰り返し実行され、ステアリングホイール40に適切な反力が付与される。
【0098】
また、上述の回転速度制御とは、第2ロータ512の目標回転速度ωoを、上記とは異なる方法で決定することもできる。前述の式5−7によって求められた回転速度ω2を目標回転速度として制御することもできるのである。そうすることにより、上述の駆動トルク制御よりも処理が少なくなり、制御が容易になる。
【0099】
本反力発生装置501は、モータと抵抗トルク発生機構とが一体化されており、また、ハウジング504を回転させなくてもよいため、非常にコンパクトである。
【0100】
7. その他の変形例.
上記抵抗トルク発生機構72,300,400,500は、比較的高い粘度のシリコンオイルを用いて、第2回転体たるハウジング等が回転しない状態で反力が大きくなるようにされていた。そのシリコンオイルよりも低い粘度のシリコンオイルを用いることができる。その場合には、反力を大きくするには、第2回転体たるハウジング等を第1回転体たるロータ等と逆向きに回転させればよく、反力を小さくするには、ハウジング等をロータ等と同じ向きに回転させればよいのである。
【0101】
上記抵抗トルク発生機構72,300,400では、ロータ92が第1回転体として、ハウジング94が第2回転体として機能していたが、逆にハウジング94が第1回転体として、ロータ92が第2回転体として機能するようにすることもできる。上記ステアリングシステム20,372,502では、反力発生装置が、ステアバイワイヤ式のステアリングシステムに配備された例を示したが、一般的な、パワーステアリング式のステアリングシステム等に配備することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【0102】
【図1】本発明の実施例である反力発生装置を備えたステアリングシステムの概略構成を示す回路図である。
【図2】上記反力発生装置の抵抗トルク発生機構を拡大して示す図である。
【図3】上記抵抗トルク発生機構において、ロータの回転速度と発生する抵抗トルクとの関係を示す図である。
【図4】上記反力発生装置の反力レベル「大」および「小」が選択された場合の抵抗トルクを示す図である。
【図5】上記反力発生装置において、車速度に応じて反力レベルを変化させる場合の抵抗トルクを示す図である。
【図6】上記とは別の抵抗トルク発生機構を示す図である。
【図7】上記とは別の抵抗トルク発生機構を配備したステアリングシステムの概略構成を示す回路図である。
【図8】上記とはさらに別の抵抗トルク発生機構を示す図である。
【図9】上記とはさらに別の抵抗トルク発生機構を配備したステアリングシステムの概略構成を示す回路図である。
【図10】上記とはさらに別の抵抗トルク発生機構を示す図である。
【符号の説明】
【0103】
10:反力発生装置 20:ステアリングシステム 30:操作部 32:転舵部 40:ステアリングホイール(操作部材) 42:操作軸 44:エンコーダ 46:電子制御装置 70:操作連係機構 72:抵抗トルク発生機構 74:回転速度変更機構 90:回転軸 92:ロータ(第1回転体) 94:ハウジング(第2回転体) 96:シリコンオイル(抵抗力発生流体) 100:モータ(電磁式モータ) 120:第1容器体 122:第2容器体 140:外周面(設定された面) 142:側面(設定された面) 144:内周面(設定された面) 146:内側面(設定された面) 202:モード切替スイッチ 204:反力レベルスイッチ 210:駆動回路 300:抵抗トルク発生機構 302:ケース 306:回転軸 310:第1支持部材 312:第2支持部材 330:電機子 332:永久磁石 360:モータ(電磁式モータ) 370:反力発生装置 372:ステアリングシステム 400:抵抗トルク発生機構 402:ケース 410:第1支持部材 412:第2支持部材 430:軸受保持部 460:モータ(電磁式モータ) 500:抵抗トルク発生機構 501:反力発生装置 502:ステアリングシステム 503:シリコンオイル(抵抗力発生流体) 504:ハウジング 510:第1ロータ 512:第2ロータ 540:面(設定された面) 542:面(設定された面) 560:モータ(電磁式モータ)




 

 


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