JP5549425B2 - 操舵操作力検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、ステアリングホイールに加わる操舵操作力を検出可能な操舵操作力検出装置に関するものである。

従来、このような操舵操作力検出装置として、ステアリングホイールの自重を考慮して、運転者の操作入力分を正確に検出するステアリング操作状態検出装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−２９８４３０号公報

ところで、運転者（ドライバ）がステアリングホイールを操舵する場合、ステアリングホイールは、ドライバによってステアリングシャフトを中心に周方向へ回転させられる。このとき、回転するステアリングホイールには慣性力が作用する。慣性力としては、回転するステアリングホイールの径方向外側へ作用する慣性力（すなわち遠心力）と、回転するステアリングホイールの逆回転方向に作用する慣性力とがある。ここで、ステアリングホイールに上記した慣性力が作用すると、検出しようとする操舵操作力に慣性力が作用するため、操舵操作力の検出に影響を与えることが考えられる。

そこで、本発明は、操舵操作力の検出の際に生じる影響を除去し、より正確な操舵操作力を検出することができる操舵操作力検出装置を提供することを課題とする。

本発明の操舵操作力検出装置は、ステアリングホイールリムを有するステアリングホイールの操舵操作力を検出可能な操舵操作力検出装置において、ステアリングホイールリムにそれぞれ作用する３軸方向の力および３軸周りのモーメントからなる操舵操作力の６分力のうち、少なくともいずれか１つの分力を検出可能な入力検出手段と、ステアリングホイールの操舵角を検出可能な操舵角検出手段と、操舵角検出手段により検出された操舵角の変位量に基づいて、ステアリングホイールの回転によってステアリングホイールリムに作用する慣性力成分を導出し、導出した慣性力成分の影響を除去するように、入力検出手段によって検出された分力を補正可能な慣性力成分補正手段と、を備えたことを特徴とする。

この場合、慣性力成分として、回転するステアリングホイールリムの径方向外側に作用する遠心力のベクトル成分を有していることが、好ましい。

この場合、慣性力成分として、回転するステアリングホイールリムの逆回転方向に作用する慣性力のベクトル成分を有していることが、好ましい。

この場合、ステアリングホイールのチルト角を検出可能なチルト角検出手段と、操舵角検出手段により検出された操舵角およびチルト角検出手段により検出されたチルト角に基づいて、ステアリングホイールリムの自重によってステアリングホイールリムに作用する重力成分を導出し、導出した重力成分の影響を除去するように、入力検出手段によって検出した分力を補正可能な重力成分補正手段と、をさらに備えたことが、好ましい。

この場合、ステアリングホイールリムに設けられ、ステアリングホイールリムを操作する操作者によって把持される着力点を検出可能な着力点検出手段と、着力点検出手段の検出結果に基づいて、入力検出手段によって検出した分力を、着力点を中心とした座標系に座標変換可能な着力点補正手段と、をさらに備えたことが、好ましい。

本発明の操舵操作力検出装置によれば、ステアリングホイールリムに作用する遠心力等の慣性力の影響を除去することができるため、より正確な操舵操作力を検出することが可能となる。

図１は、実施例１に係る操舵操作力検出装置を適用したステアリングホイール周りを模式的に表した正面図である。 図２は、実施例１に係る操舵操作力検出装置を適用したステアリングホイール周りを模式的に表した側面図である。 図３は、操舵角δ分だけ回転させたときのステアリングホイールの正面図である。 図４は、操舵角およびチルト角の角度によって変化するＸ軸方向における重力加速度のグラフである。 図５は、操舵角およびチルト角の角度によって変化するＹ軸方向における重力加速度のグラフである。 図６は、操舵角およびチルト角の角度によって変化するＺ軸方向における重力加速度のグラフである。 図７は、実施例２に係る操舵操作力検出装置を適用したステアリングホイール周りを模式的に表した正面図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る操舵操作力検出装置について説明する。なお、以下の実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、或いは実質的に同一のものが含まれる。

実施例１に係る操舵操作力検出装置は、ドライバ（操作者）によって操作されたステアリングホイールに入力される操舵操作力を検出するものである。ここで、操舵操作力検出装置の説明に先立ち、実施例１の操舵操作力検出装置を適用したステアリングホイールについて説明する。

図１は、実施例１に係る操舵操作力検出装置を適用したステアリングホイール周りを模式的に表した正面図であり、図２は、実施例１に係る操舵操作力検出装置を適用したステアリングホイール周りを模式的に表した側面図である。また、図３は、操舵角δ分だけ回転させたときのステアリングホイールの正面図である。図１に示すように、ステアリングホイール１は、回転軸となるステアリングシャフト５に取り付けられており、ステアリングシャフト５を中心に周方向へ回転可能となっている。

ステアリングホイール１は、ステアリングシャフト５に連結固定可能なステアリングホイールハブ１１と、ステアリングホイールハブ１１の周囲に設けられたステアリングホイールリム１２と、ステアリングホイールハブ１１とステアリングホイールリム１２とを接続するステアリングホイールスポーク１３とを備えている。

ステアリングホイールリム１２は、左右に２分割されており、右側分割リム１２ａと左側分割リム１２ｂとを有している。そして、右側分割リム１２ａと左側分割リム１２ｂとは、ステアリングホイールハブ１１を挟んで、１８０°対向した位置に配設されている。つまり、右側分割リム１２ａは、ステアリングホイールハブ１１を挟んで、左側分割リム１２ｂの反対側に配設されている。

右側分割リム１２ａは、周方向に沿って湾曲した右側グリップ２１ａと、右側グリップ２１ａの周方向両端面に設けられた一対の右側支持プレート２２ａと、一対の右側支持プレート２２ａの径方向内側に設けられた右側固定プレート２３ａとを有している。そして、一対の右側支持プレート２２ａは、右側固定プレート２３ａの長手方向の両端側において、右側固定プレート２３ａの径方向外側の面に対し突出するように配設される。このため、一対の右側支持プレート２２ａと右側固定プレート２３ａとを組み合わせた形状は、径方向内側に窪む凹形状に構成される。そして、一対の右側支持プレート２２ａの間には、右側グリップ２１ａが設けられ、右側グリップ２１ａは、ステアリングホイール１の操舵時において、ドライバの右手に把持される部分となっている。

左側分割リム１２ｂも、右側分割リム１２ａと同様に構成され、周方向に沿って湾曲した左側グリップ２１ｂと、左側グリップ２１ｂの周方向両端面に設けられた一対の左側支持プレート２２ｂと、一対の左側支持プレート２２ｂの径方向内側に設けられた左側固定プレート２３ｂとを有している。

ステアリングホイールスポーク１３は、右側分割リム１２ａとステアリングホイールハブ１１とを連結する右側スポーク１３ａと、左側分割リム１２ｂとステアリングホイールハブ１１とを連結する左側スポーク１３ｂとを有している。右側スポーク１３ａおよび左側スポーク１３ｂは、一体に形成されている。つまり、ステアリングホイールスポーク１３は、ステアリングホイールハブ１１を中心に、右側分割リム１２ａと左側分割リム１２ｂとを連結するように設けられている。

このとき、右側分割リム１２ａと右側スポーク１３ａとの間には、右側ロードセル３５ａが介設され、また、左側分割リム１２ｂと左側スポーク１３ｂとの間には、左側ロードセル３５ｂが介設されている。この右側ロードセル３５ａおよび左側ロードセル３５ｂは、操舵操作力検出装置３０の一部を構成している。

図２に示すように、ステアリングシャフト５は、その一方の端部（上端部）にステアリングホイール１が連結されている。ステアリングシャフト５とステアリングホイール１との間には、ステアリングホイール１の操舵角δを検出可能な操舵角検出センサ３６が介設されている。この操舵角検出センサ３６は、操舵操作力検出装置３０の一部を構成している。

ステアリングシャフト５は、軸方向下方側に存在するチルト支点Ｐを中心に回動可能に構成されている。このため、ステアリングシャフト５をチルト支点Ｐを中心に回動させることで、チルト角βを変更することができる。ここで、チルト角βは、水平面２８とステアリングシャフト５とが為す角度となっている。そして、チルト支点Ｐ周りには、チルト角βを検出可能なチルト角検出センサ３７が設けられている。このチルト角検出センサ３７は、操舵操作力検出装置３０の一部を構成している。

ここで、図２において、ステアリングシャフト５の軸方向に延びる線Ｌ１は、Ｘ軸方向の軸線となっており、図３において、右側ロードセル３５ａの中心と左側ロードセル３５ｂの中心とを結ぶ線Ｌ３は、Ｚ軸方向の軸線となっており、軸線Ｌ１および軸線Ｌ３と直交する軸線Ｌ２は、Ｙ軸方向の軸線となっている。

操舵操作力検出装置３０は、右側ロードセル３５ａおよび左側ロードセル３５ｂを中心としたセンサ座標系上において操舵操作力が求められる。センサ座標系は、右側ロードセル３５ａを中心とした右側センサ座標系と、左側ロードセル３５ｂを中心とした左側センサ座標系とで構成される。右側センサ座標系は、右側ロードセル３５ａの中心とした３次元の直交座標系であり、同様に、左側センサ座標系も、左側ロードセル３５ｂを中心とした３次元の直交座標系である。よって、ステアリングホイール１を回転させると、同時に右側ロードセル３５ａおよび左側ロードセル３５ｂも回転するため、Ｙ軸方向の軸線Ｌ２およびＺ軸方向の軸線Ｌ３も、ステアリングホイール１に追従して回転する。

図３に示すステアリングシャフト５の中心を通る線Ｉは操舵角δの基準線となっており、この基準線ＩとＹ軸方向の軸線Ｌ２とが為す角が、操舵角δとなっている。つまり、この基準線ＩにＹ軸方向の軸線Ｌ２が重なった状態が、車両が直進するステアリングホイール１の中立状態となっており、操舵角は０°となる。一方で、ステアリングホイール１を図示右周りに回転（正回転）させると、正回転させた操舵角δに相当する分だけ、車両は右に曲がる。

なお、図３において、Ｘ軸方向における紙面の奥行き方向がプラス方向となっており、紙面の手前方向がマイナス方向となっている。また、Ｙ軸方向における図示上方側がプラス方向となっており、図示下方側がマイナス方向となっている。さらに、Ｚ軸方向における径方向外側がプラス方向となっており、径方向内側がマイナス方向となっている。また、操舵角δは、図示右回り方向がプラス方向となっており、図示左回り方向がマイナス方向となっている。さらに、図２において、チルト角βは、ステアリングホイール１が上向きとなる方向がプラス方向となっており、ステアリングホイール１が下向きとなる方向がマイナス方向となっている。

ドライバが右側グリップ２１ａおよび左側グリップ２１ｂを把持して、ステアリングホイール１を、正回転させると、右側分割リム１２ａおよび左側分割リム１２ｂは、ステアリングシャフト５を中心に円形軌道を描いて回転する。このとき、右側分割リム１２ａおよび左側分割リム１２ｂには、鉛直方向下側に作用する重力と、径方向外側に作用する第１慣性力（遠心力）と、逆回転方向（左回りの回転方向）に作用する第２慣性力とが働く。

この場合、ステアリングホイール１を操作するドライバの操舵操作力を検出しようとすると、右側分割リム１２ａおよび左側分割リム１２ｂに重力、第１慣性力および第２慣性力が作用するため、正確な操舵操作力を検出することが難しい。このため、実施例１に係る操舵操作力検出装置３０では、右側分割リム１２ａおよび左側分割リム１２ｂに作用する重力、第１慣性力および第２慣性力の影響を除去している。以下、上記のように構成されたステアリングホイール１に適用される操舵操作力検出装置３０について説明する。

操舵操作力検出装置３０は、上記した左右一対のロードセル３５ａ，３５ｂと、上記した操舵角検出センサ３６と、チルト角検出センサ３７と、各種センサによって検出された結果に基づいて各種演算処理を実行可能な制御装置３８とを有している。

右側ロードセル３５ａは、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の力Ｆ_ＳＲを検出可能に構成されると共に、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向周りのモーメントＭ_ＳＲを検出可能に構成された、いわゆる６分力を計測可能なロードセルである。左側ロードセル３５ｂも、右側ロードセル３５ａと同様に構成されている。

図１に示すように、操舵操作力検出装置３０では、ステアリングホイール１の図示右側に加わる操舵操作力を、右側センサ座標系において検出する。同様に、操舵操作力検出装置３０では、ステアリングホイール１の図示左側に加わる操舵操作力を、左側センサ座標系において検出する。右側ロードセル３５ａの中心は、Ｓ_Ｒとなっており、左側ロードセル３５ｂの中心は、Ｓ_Ｌとなっている。また、右側分割リム１２ａの重心は、Ｃ_ＧＲとなっており、Ｚ軸上に位置している。一方、左側分割リム１２ｂの重心は、Ｃ_ＧＬとなっており、Ｚ軸上に位置している。実施例１では、右側分割リム１２ａの重心Ｃ_ＧＲおよび左側分割リム１２ｂの重心Ｃ_ＧＬは、Ｚ軸上に位置したが、右側分割リム１２ａおよび左側分割リム１２ｂの形状等によっては、重心Ｃ_ＧＲ，Ｃ_ＧＬの位置は適宜変化する。また、右側ロードセル３５ａの中心Ｓ_Ｒから右側分割リム１２ａの重心Ｃ_ＧＲに至るベクトル成分が、ａ_ｇＲとなっており、左側ロードセル３５ｂの中心Ｓ_Ｌから左側分割リム１２ｂの重心Ｃ_ＧＬに至るベクトル成分が、ａ_ｇＬとなっている。

操舵角検出センサ３６は、例えば、ロータリエンコーダであり、基準線Ｉに対するステアリングホイール１の回転の変位量を検出することで、操舵角δを検出可能に構成されている。

チルト角検出センサ３７も、例えば、ロータリエンコーダであり、水平面２８に対するステアリングシャフト５の回動の変位量を検出することで、チルト角βを検出可能に構成されている。

制御装置３８は、操舵角検出センサ３６およびチルト角検出センサ３７の検出結果に基づいて、左右一対のロードセル３５ａ，３５ｂによって検出された６分力を補正している。ここで、例えば、右側ロードセル３５ａから見た場合、ステアリングホイール１が回転すると、右側分割リム１２ａの重心Ｃ_ＧＲには、右側分割リム１２ａの自重による重力と、径方向外側の第１慣性力と、逆回転方向の第２慣性力とが作用する。このため、右側ロードセル３５ａには、重力と、第１慣性力と、第２慣性力とが入力される。

上記した重力と第１慣性力と第２慣性力との入力を除去すべく、制御装置３８には、ステアリングホイールリム１２の自重による影響を補正する重力成分補正部４１（重力成分補正手段）と、ステアリングホイールリム１２に加わる慣性力の影響を補正する慣性力成分補正部４２（慣性力成分補正手段）とが設けられている。なお、制御装置３８は、いわゆるコンピュータであり、演算処理を行うＣＰＵと、作業領域となるメモリと、各種データやプログラムを記憶する記憶装置と、これらを接続する入出力部とを備え、これらが協働することにより、各種演算処理を行うことが可能となっている。なお、右側センサ座標系および左側センサ座標系における操舵操作力の検出は、ほぼ同様の構成となっているため、以下では、右側センサ座標系における操舵操作力の検出を行う場合について説明する。

重力成分補正部４１は、右側分割リム１２ａの重心Ｃ_ＧＲに作用する重力のベクトル成分（重力成分）を除去することにより、右側ロードセル３５ａによって検出される操舵操作力の補正を行っている。つまり、補正後の操舵操作力は、補正前の操舵操作力（右側ロードセル３５ａの検出結果）から、右側分割リム１２ａの重力成分を除去することにより導出される（後述する（５）および（６）式）。なお、重力成分補正部４１は、左側ロードセル３５ｂに対しても、同様の補正を実行可能となっている。

ここで、図４は、操舵角およびチルト角の角度によって変化するＸ軸方向における重力加速度のグラフであり、図５は、操舵角およびチルト角の角度によって変化するＹ軸方向における重力加速度のグラフであり、図６は、操舵角およびチルト角の角度によって変化するＺ軸方向における重力加速度のグラフである。重力成分は、重力加速度のベクトル成分に右側分割リム１２ａの質量ｍ_ｇを乗算したものである。図４ないし図６のグラフにおいて、その横軸は、操舵角δとなっており、その縦軸は、大きさが１である重力加速度のベクトル成分となっている。また、異なる角度のチルト角βに応じて、複数の重力加速度のベクトル成分が導出されている。なお、大きさが１である重力加速度のベクトル成分は、（１）式で表される。

図４ないし図６に示すように、右側ロードセル３５ａに作用する重力加速度のベクトル成分は、操舵角δおよびチルト角βの角度によって、Ｘ軸方向の重力加速度と、Ｙ軸方向の重力加速度と、Ｚ軸方向の重力加速度とが変化する。このため、右側ロードセル３５ａに作用する重力加速度のベクトル成分は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の３軸方向に分解すると、下記する（２）式によって表される。

図４および（２）式を参照するに、右側ロードセル３５ａに作用するＸ軸方向の重力加速度は、チルト角βに依存している。このため、Ｘ軸方向の重力加速度は、チルト角β＝０°のときが０となり、チルト角β＝９０°のときが最も大きくなる（１となる）、ｓｉｎβのグラフに従って変化する。一方で、Ｘ軸方向の重力加速度は、操舵角δに依存していないため、操舵角δが変化しても、Ｘ軸方向の重力加速度は変化しない。従って、（２）式に示すように、Ｘ軸方向の重力加速度ｇ_ｘは、「ｇ_ｘ＝ｓｉｎβ」で表される。

図５および（２）式を参照するに、右側ロードセル３５ａに作用するＹ軸方向の重力加速度は、操舵角δおよびチルト角βに依存している。このため、Ｙ軸方向の重力加速度は、操舵角δ＝０°のときがマイナス方向に最も大きくなり、操舵角δ＝±９０°のときが０となる、−ｃｏｓδのグラフに従って変化する。また、Ｙ軸方向の重力加速度は、チルト角β＝０°のときに極大値と極小値との差分が最も大きく、チルト角β＝９０°のときに極大値と極小値との差分が０となる、ｃｏｓβのグラフに従って変化する。つまり、Ｙ軸方向の重力加速度は、ステアリングホイール１が中立状態の場合に最も大きく、また、Ｘ軸方向の重力加速度が大きくなるほど、Ｙ軸方向の重力加速度は小さくなる。従って、（２）式に示すように、Ｙ軸方向の重力加速度ｇ_ｙは、「ｇ_ｙ＝−ｃｏｓβ・ｃｏｓδ」で表される。

図６および（２）式を参照するに、右側ロードセル３５ａに作用するＺ軸方向の重力加速度は、操舵角δおよびチルト角βに依存している。このため、Ｚ軸方向の重力加速度は、操舵角δ＝９０°のときがプラス方向に最も大きくなり、操舵角δ＝−９０°のときがマイナス方向に最も大きくなり、操舵角δ＝０°のときが０となる、ｓｉｎδのグラフに従って変化する。また、Ｚ軸方向の重力加速度は、チルト角β＝０°のときに極大値と極小値との差分が最も大きく、チルト角β＝９０°のときに極大値と極小値との差分が０となる、ｃｏｓβのグラフに従って変化する。つまり、Ｚ軸方向の重力加速度は、ステアリングホイール１が操舵角δ＝±９０°の場合に、最も大きく、また、Ｘ軸方向の重力加速度が大きくなるほど、Ｚ軸方向の重力加速度は小さくなる。従って、（２）式に示すように、Ｚ軸方向の重力加速度ｇ_ｚは、「ｇ_ｚ＝ｃｏｓβ・ｓｉｎδ」で表される。

右側ロードセル３５ａの中心Ｓ_Ｒから右側分割リム１２ａの重心Ｃ_ＧＲに至る長さは、Ｌｃとなっており、左側ロードセル３５ｂの中心Ｓ_Ｌから左側分割リム１２ｂの重心Ｃ_ＧＬに至る長さも、Ｌｃとなっている。そして、右側ロードセル３５ａの中心Ｓ_ＲがＺ軸上にあり、かつ、右側分割リム１２ａの重心Ｃ_ＧＲがＺ軸上にあることから、ベクトル成分ａ_ｇＲは、（３）式で表される。同様に、左側ロードセル３５ｂの中心Ｓ_ＬがＺ軸上にあり、かつ、左側分割リム１２ｂの重心Ｃ_ＧＬがＺ軸上にあることから、ベクトル成分ａ_ＧＬは、（４）式で表される。

以上から、補正後の操舵操作力に関する６分力は、右側ロードセル３５ａの検出結果から、右側分割リム１２ａの重力成分を除去するが、このとき、上記したように、３軸方向の重力加速度の変化を考慮することにより、（５）および（６）式が得られる。

すなわち、（５）式では、右側ロードセル３５ａによって検出された力Ｆ_ＳＲから、右側分割リム１２ａに作用する重力成分を減算することによって、補正後の力Ｆ_ＳＲ１が導出される。具体的に、力Ｆ_ＳＲは、Ｘ軸方向の力Ｆ_ＳＲｘ、Ｙ軸方向の力Ｆ_ＳＲｙ、Ｚ軸方向の力Ｆ_ＳＲｚに分解され、各成分毎に、右側分割リム１２ａにおけるＸ軸方向の重力成分、Ｙ軸方向の重力成分、Ｚ軸方向の重力成分を減算することで、（５）式が得られる。

また、（６）式では、右側ロードセル３５ａによって検出されたモーメントＭ_ＳＲから、重力によるモーメントを減算することによって、補正後のモーメントＭ_ＳＲ１が導出される。なお、右側ロードセル３５ａによって検出されるモーメントＭ_ＳＲは、ベクトル成分ａ_ｇＲと、力Ｆ_ＳＲとの外積によって得られ、また、重力によるモーメントは、ベクトル成分ａ_ｇＲと、重力成分との外積によって得られる。具体的に、モーメントＭ_ＳＲは、Ｘ軸方向のモーメントＭ_ＳＲｘ、Ｙ軸方向のモーメントＭ_ＳＲｙ、Ｚ軸方向のモーメントＭ_ＳＲｚに分解され、各成分毎に、Ｘ軸方向の重力によるモーメント、Ｙ軸方向の重力によるモーメント、Ｚ軸方向の重力によるモーメントを減算することで、（６）式が得られる。なお、（６）式を解くことで、補正後のモーメントＭ_ＳＲ１における３軸方向周りのモーメントをそれぞれ導出できる。

従って、重力成分補正部４１は、右側ロードセル３５ａ、操舵角検出センサ３６およびチルト角検出センサ３７によって検出した検出結果を、上記した（５）式に代入することで、右側ロードセル３５ａにより検出した３軸方向の力に対し、重力成分の補正を行うことが可能となる。同様に、重力成分補正部４１は、右側ロードセル３５ａ、操舵角検出センサ３６およびチルト角検出センサ３７によって検出した検出結果を、上記した（６）式に代入することで、右側ロードセル３５ａにより検出した３軸方向のモーメントに対し、重力成分の補正を行うことが可能となる。なお、上記では、右側センサ座標系についてのみ言及したが、左側センサ座標系についても同様であるため説明を省略する。

続いて、慣性力成分補正部４２について説明するが、説明を簡単にすべく、重力成分補正部４１による補正は行わずに、慣性力成分補正部４２による補正のみを行う場合について説明する。なお、この場合も右側センサ座標系についてのみ説明する。慣性力成分補正部４２は、右側分割リム１２ａの重心Ｃ_ＧＲの径方向外側に作用する第１慣性力（遠心力）のベクトル成分（第１慣性力成分）と、右側分割リム１２ａの重心Ｃ_ＧＲの逆回転方向に作用する第２慣性力のベクトル成分（第２慣性力成分）とを、それぞれ除去することにより、操舵操作力の補正を行っている。つまり、補正後の操舵操作力は、補正前の操舵操作力（右側ロードセル３５ａの検出結果）から、右側分割リム１２ａの第１慣性力成分および第２慣性力成分を除去することにより導出される（後述する（７）式および（８）式）。なお、慣性力成分補正部４２は、左側ロードセル３５ｂに対しても、同様の補正を実行可能となっている。

ここで、第１慣性力、すなわち遠心力は、ステアリングシャフト５の中心から右側分割リム１２ａの重心Ｃ_ＧＲまでの半径Ｌｒｃと、操舵角δの角速度の２乗と、右側分割リム１２ａの質量とを乗算したものであり、この遠心力にＺ軸方向の単位ベクトル成分を乗算したものが第１慣性力成分となっている。また、第２慣性力は、半径Ｌｒｃと、操舵角δの角加速度と、右側分割リム１２ａの質量とを乗算したものであり、この第２慣性力にＹ軸方向の単位ベクトル成分を乗算したものが第２慣性力成分となっている。

以下、具体的に説明するに、補正後の操舵操作力に関する６分力は、右側ロードセル３５ａの検出結果から、右側分割リム１２ａの第１慣性力成分および第２慣性力成分を除去することにより、（７）および（８）式が得られる。

すなわち、（７）式では、右側ロードセル３５ａによって検出された力Ｆ_ＳＲに、右側分割リム１２ａに作用する第１慣性力成分と、右側分割リム１２ａに作用する第２慣性力成分とを除去することにより導出される。具体的に、力Ｆ_ＳＲは、Ｘ軸方向の力Ｆ_ＳＲｘ、Ｙ軸方向の力Ｆ_ＳＲｙ、Ｚ軸方向の力Ｆ_ＳＲｚに分解され、各成分毎に、右側分割リム１２ａにおけるＸ軸方向の第１慣性力成分、Ｙ軸方向の第１慣性力成分、Ｚ軸方向の第１慣性力成分を減算し、且つ、右側分割リム１２ａにおけるＸ軸方向の第２慣性力成分、Ｙ軸方向の第２慣性力成分、Ｚ軸方向の第２慣性力成分を減算することで、（７）式が得られる。なお、（７）式から分かるように、第１慣性力成分は、Ｚ軸方向にのみ作用し、第２慣性力成分は、Ｙ軸方向にのみ作用する。

また、（８）式では、右側ロードセル３５ａによって検出されたモーメントＭ_ＳＲから、第１慣性力および第２慣性力によるモーメントを引くことによって、補正後のモーメントＭ_ＳＲ１が導出される。なお、第１慣性力によるモーメントは、ベクトル成分ａ_ｇＲと、第１慣性力成分との外積によって得られ、第２慣性力によるモーメントは、ベクトル成分ａ_ｇＲと、第２慣性力成分との外積によって得られる。このとき、第１慣性力成分は、Ｚ軸方向であり、ベクトル成分ａ_ｇＲも、Ｚ軸方向であるため、これらの外積は０となる。具体的に、モーメントＭ_ＳＲは、Ｘ軸方向のモーメントＭ_ＳＲｘ、Ｙ軸方向のモーメントＭ_ＳＲｙ、Ｚ軸方向のモーメントＭ_ＳＲｚに分解され、各成分毎に、Ｘ軸方向の第２慣性力によるモーメント、Ｙ軸方向の第２慣性力によるモーメント、Ｚ軸方向の第２慣性力によるモーメント、を減算することで、（８）式が得られる。

従って、慣性力成分補正部４２は、右側ロードセル３５ａ、操舵角検出センサ３６およびチルト角検出センサ３７によって検出した検出結果を、上記した（７）式に代入することで、右側ロードセル３５ａにより検出した３軸方向の力に対し、第１慣性力成分および第２慣性力成分の補正を行うことが可能となる。同様に、慣性力成分補正部４２は、右側ロードセル３５ａ、操舵角検出センサ３６およびチルト角検出センサ３７によって検出した検出結果を、上記した（８）式に代入することで、右側ロードセル３５ａにより検出した３軸方向のモーメントに対し、第１慣性力成分および第２慣性力成分の補正を行うことが可能となる。なお、上記では、右側センサ座標系についてのみ言及したが、左側センサ座標系についても同様であるため説明を省略する。

また、上記では、重力成分補正部４１の補正と慣性力成分補正部４２の補正とを、それぞれ独立して実行した場合について説明したが、重力成分補正を行った後、慣性力成分補正を行ってもよく、逆に、慣性力成分補正を行った後、重力成分補正を行ってもよい。つまり、制御装置３８は、重力成分補正部４１の補正および慣性力成分補正部４２の補正の両方を実行可能である。

以上の構成によれば、操舵操作力検出装置３０は、慣性力成分補正部４２により、右側分割リム１２ａおよび左側分割リム１２ｂにそれぞれ作用する第１慣性力成分および第２慣性力成分の影響を除去することができる。このため、操舵操作力検出装置３０は、操舵操作力の検出の際に生じる影響を除去することができ、これにより、より正確な操舵操作力を検出することができる。

また、操舵操作力検出装置３０は、重力成分補正部４１により、右側分割リム１２ａおよび左側分割リム１２ｂにそれぞれ作用する重力成分の影響を除去することができる。このため、操舵操作力検出装置３０は、操舵操作力の検出の際に生じる影響を除去することができ、これにより、さらに正確な操舵操作力を検出することができる。

続いて、図７を参照し、実施例２に係る操舵操作力検出装置５０について説明する。ここで、図７は、実施例２に係る操舵操作力検出装置を適用したステアリングホイール周りを模式的に表した正面図である。なお、重複した記載を避けるべく、異なる部分についてのみ説明する。実施例２の操舵操作力検出装置５０は、実施例１の操舵操作力検出装置３０の構成に加え、ドライバによって把持される着力点を検出可能な着力点検出センサ５１を備えており、制御装置３８は、着力点検出センサ５１の検出結果に基づいて、各ロードセル３５ａ，３５ｂで検出した６分力を補正可能となっている。

以下、具体的に説明するに、ステアリングホイールリム１２の右側分割リム１２ａの右側グリップ２１ａおよび左側分割リム１２ｂの左側グリップ２１ｂには、着力点を検出可能な着力点検出センサ５１が、各グリップ２１ａ，２１ｂの周方向に沿って複数設けられている。複数の着力点検出センサ５１は、周方向に沿って等間隔に設けられている。そして、複数の着力点検出センサ５１は、制御装置３８に接続されており、制御装置３８は、複数の着力点検出センサ５１の検出結果に基づいて、各グリップ２１ａ，２１ｂにおける着力点を把握することが可能となっている。

また、制御装置３８は、複数の着力点検出センサ５１の検出結果に基づいて、各ロードセル３５ａ，３５ｂを中心としたセンサ座標系から、着力点を中心としたグリップ座標系となるように座標変換可能な着力点補正部５２を、さらに備えている。グリップ座標系は、右側グリップ２１ａの着力点を中心とした３次元の直交座標系である右側グリップ座標系と、左側グリップ２１ｂの着力点を中心とした３次元の直交座標系である左側グリップ座標系とで構成される。以下では、右側センサ座標系から右側グリップ座標系に座標変換する場合について説明する。また、説明を簡単にすべく、着力点補正部５２による補正のみを行う場合について説明する。

右側グリップ２１ａの着力点は、Ｃ_ＦＲとなっており、左側グリップ２１ｂの着力点は、Ｃ_ＦＬとなっている。なお、着力点Ｃ_ＦＲ，Ｃ_ＦＬは、ドライバの把持する位置によって適宜変化する。また、右側ロードセル３５ａの中心Ｓ_Ｒから右側グリップ２１ａの着力点Ｃ_ＦＲに至る長さは、Ｌｇとなっている。そして、右側ロードセル３５ａの中心Ｓ_ＲがＺ軸上にあり、かつ、右側グリップ２１ａの着力点Ｃ_ＦＲがＺ軸上にあることから、右側ロードセル３５ａの中心Ｓ_Ｒから右側グリップ２１ａの着力点Ｃ_ＦＲへ至るベクトル成分ａ_ＧＲは、（９）式で表される。同様に、左側ロードセル３５ｂの中心Ｓ_Ｌから左側グリップ２１ｂの着力点Ｃ_ＦＬへ至るベクトル成分ａ_ＧＬは、（１０）式で表される。

以下、具体的に説明するに、補正後の操舵操作力に関する６分力は、ベクトル成分ａ_ＧＲを考慮して補正することにより、（１１）および（１２）式が得られる。

すなわち、（１１）式では、右側ロードセル３５ａによって検出された力Ｆ_ＳＲは、右側ロードセル３５ａを中心とする右側センサ座標系となっているが、この力Ｆ_ＳＲを、着力点を中心とする右側グリップ座標系に座標変換するには、力Ｆ_ＳＲを、そのまま着力点Ｃ_ＦＲに平行移動させればよい。つまり、力Ｆ_ＳＲのベクトル方向および大きさは変化しないため、着力点Ｃ_ＦＲにおける力Ｆ_ＧＲは、右側ロードセル３５ａで検出した力Ｆ_ＳＲと同じものとなる。

また、（１２）式では、右側ロードセル３５ａによって検出されたモーメントＭ_ＳＲは、右側ロードセル３５ａを中心とする右側センサ座標系となっているが、このモーメントＭ_ＳＲを、着力点Ｃ_ＦＲを中心とする右側グリップ座標系に座標変換するには、右側グリップ２１ａの着力点Ｃ_ＦＲから右側分割リム１２ａの重心Ｃ_ＧＲに至るベクトル成分（ａ_ＳＲ−ａ_ＧＲ）と力Ｆ_ＳＲとの外積を求めることで、右側グリップ座標系のモーメントＭ_ＧＲが導出される。

従って、着力点補正部５２は、右側ロードセル３５ａおよび着力点検出センサ５１によって検出した検出結果を、上記した（１１）式に代入することで、右側ロードセル３５ａにより検出した３軸方向の力を、右側センサ座標系から右側グリップ座標系へ座標変換することが可能となる。同様に、着力点補正部５２は、右側ロードセル３５ａおよび着力点検出センサ５１によって検出した検出結果を、上記した（１２）式に代入することで、右側ロードセル３５ａにより検出した３軸方向のモーメントを、右側センサ座標系から右側グリップ座標系へ座標変換することが可能となる。なお、上記では、右側センサ座標系についてのみ言及したが、左側センサ座標系についても同様であるため説明を省略する。

また、上記では、着力点補正部５２による補正のみを実行した場合について説明したが、重力成分補正および慣性力成分補正を行った後に、着力点補正を行ってもよい。つまり、制御装置３８は、着力点補正部５２の補正、重力成分補正部４１の補正および慣性力成分補正部４２の補正の全てを実行可能である。

以上の構成によれば、操舵操作力検出装置３０は、右側ロードセル３５ａおよび左側ロードセル３５ｂによって検出された操舵操作力を、ロードセル３５ａ，３５ｂ中心のセンサ座標系から、着力点Ｃ_ＦＲ，Ｃ_ＦＬ中心のグリップ座標系へ座標変換することができる。このため、ステアリングホイール１を操作するドライバの操舵操作力を、各グリップ２１ａ，２１ｂの着力点Ｃ_ＦＲ，Ｃ_ＦＬにおいて検出することができる。

なお、実施例１および実施例２の操舵操作力検出装置３０，５０では、慣性力成分補正部４２により第１慣性力成分および第２慣性力成分を補正したが、いずれか一方の慣性力成分のみを補正する構成としてもよい。つまり、右側センサ座標系にのみ言及するが、（７）式の第２慣性力成分の項を削除した、（１３）式を用いて、右側ロードセル３５ａにより検出した３軸方向の力を、第１慣性力成分において補正してもよい。なお、右側ロードセル３５ａにより検出した３軸方向におけるモーメントは、（８）式において記載したとおり、同軸方向の外積により０となることから、補正は不要となる。

また、（７）式の第１慣性力成分の項を削除した、（１４）式および（１５）式を用いて、右側ロードセル３５ａにより検出した３軸方向の力と、右側ロードセル３５ａにより検出した３軸方向におけるモーメントとを、第２慣性力成分において補正してもよい。

また、実施例１および実施例２では、ステアリングホイールリム１２を２分割した場合について説明したが、ステアリングホイールリム１２は、２分割に限らず、複数に分割してもよい。この場合、操舵操作力検出装置３０，５０は、分割数に応じて複数のロードセルを配置し、各ロードセルに入力された操舵操作力を検出可能に構成することが好ましい。

また、実施例１および実施例２では、右側分割リム１２ａおよび左側分割リム１２ｂのそれぞれに右側ロードセル３５ａおよび左側ロードセル３５ｂを設けたが、いずれか一方にのみロードセルを配設して、片手側だけの操舵操作力を検出してもよい。

以上のように、本発明に係る操舵操作力検出装置は、ステアリングホイールリムが複数に分割されているステアリングホイールに加わる操舵操作力を検出する場合において有用であり、特に、ステアリングホイールに慣性力が作用する場合に適している。

１ ステアリングホイール
５ ステアリングシャフト
１１ ステアリングホイールハブ
１２ ステアリングホイールリム
１２ａ 右側分割リム
１２ｂ 左側分割リム
１３ ステアリングホイールスポーク
２１ａ 右側グリップ
２１ｂ 左側グリップ
２８ 水平面
３０ 操舵操作力検出装置
３５ａ 右側ロードセル
３５ｂ 左側ロードセル
３６ 操舵角検出センサ
３７ チルト角検出センサ
３８ 制御装置
４１ 重力成分補正部
４２ 慣性力成分補正部
５０ 操舵操作力検出装置（実施例２）
５１ 着力点検出センサ
５２ 着力点補正部
δ 操舵角
β チルト角

Claims (6)

1. ステアリングホイールリムを有するステアリングホイールの操舵操作力を検出可能な操舵操作力検出装置において、
   前記ステアリングホイールリムにそれぞれ作用する３軸方向の力および３軸周りのモーメントからなる操舵操作力の６分力のうち、少なくともいずれか１つの分力を検出可能な入力検出手段と、
   前記ステアリングホイールの操舵角を検出可能な操舵角検出手段と、
   前記操舵角検出手段により検出された前記操舵角の変位量に基づいて、前記ステアリングホイールの回転によって前記ステアリングホイールリムに作用する慣性力成分を導出し、導出した前記慣性力成分の影響を除去するように、前記入力検出手段によって検出された前記分力を補正可能な慣性力成分補正手段と、を備え、
   前記慣性力成分として、回転する前記ステアリングホイールリムの逆回転方向に作用する慣性力のベクトル成分を有していることを特徴とする操舵操作力検出装置。
2. 前記ステアリングホイールのチルト角を検出可能なチルト角検出手段と、
   前記操舵角検出手段により検出された前記操舵角および前記チルト角検出手段により検出された前記チルト角に基づいて、前記ステアリングホイールリムの自重によって前記ステアリングホイールリムに作用する重力成分を導出し、導出した前記重力成分の影響を除去するように、前記入力検出手段によって検出した前記分力を補正可能な重力成分補正手段と、をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の操舵操作力検出装置。
3. ステアリングホイールリムを有するステアリングホイールの操舵操作力を検出可能な操舵操作力検出装置において、
   前記ステアリングホイールリムにそれぞれ作用する３軸方向の力および３軸周りのモーメントからなる操舵操作力の６分力のうち、少なくともいずれか１つの分力を検出可能な入力検出手段と、
   前記ステアリングホイールの操舵角を検出可能な操舵角検出手段と、
   前記操舵角検出手段により検出された前記操舵角の変位量に基づいて、前記ステアリングホイールの回転によって前記ステアリングホイールリムに作用する慣性力成分を導出し、導出した前記慣性力成分の影響を除去するように、前記入力検出手段によって検出された前記分力を補正可能な慣性力成分補正手段と、
   前記ステアリングホイールのチルト角を検出可能なチルト角検出手段と、
   前記操舵角検出手段により検出された前記操舵角および前記チルト角検出手段により検出された前記チルト角に基づいて、前記ステアリングホイールリムの自重によって前記ステアリングホイールリムに作用する重力成分を導出し、導出した前記重力成分の影響を除去するように、前記入力検出手段によって検出した前記分力を補正可能な重力成分補正手段と、を備えたことを特徴とする操舵操作力検出装置。
4. 前記慣性力成分として、回転する前記ステアリングホイールリムの逆回転方向に作用する慣性力のベクトル成分を有していることを特徴とする請求項３に記載の操舵操作力検出装置。
5. 前記慣性力成分として、回転する前記ステアリングホイールリムの径方向外側に作用する遠心力のベクトル成分を有していることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の操舵操作力検出装置。
6. 前記ステアリングホイールリムに設けられ、前記ステアリングホイールリムを操作する操作者によって把持される着力点を検出可能な着力点検出手段と、
   前記着力点検出手段の検出結果に基づいて、前記入力検出手段によって検出した前記分力を、前記着力点を中心とした座標系に座標変換可能な着力点補正手段と、をさらに備えたことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の操舵操作力検出装置。

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