CN102330761A - 制动装置、输送用设备和产业用设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种制动装置、输送用设备和产业用设备。提供能够高精度地对盘片的减速进行控制的技术。本发明以具有如下部件的方式构成制动装置：使第一衬垫向第二衬垫移动，由第一衬垫和第二衬垫夹持并推压盘片，抑制其旋转的电动致动器；输出用于设定衬垫对上述盘片的推压力的设定信号的推压力设定部；在上述第一衬垫或第二衬垫设置于各不相同的位置，检测衬垫的应力的多个压电元件；对从上述多个压电元件得到的电信号进行处理，生成与衬垫对上述盘片的推压力对应的推压力检测信号的信号处理部；和求出设定信号与检测信号的偏差，基于该偏差运算上述电动致动器的操作信号并输出的运算部。

Description

制动装置、输送用设备和产业用设备

技术领域

本发明涉及具有压电元件的制动装置，以及具有该制动装置的输送用设备和产业用设备。

背景技术

作为用汽油驱动的汽车等现有技术中的车辆的制动(Brake，刹车)装置，例如使用盘片制动器(Disc Brake，盘式制动器)。作为该盘片制动器，与轮胎连接，在与该轮胎一起旋转的盘片(刹车盘)的两面配置有相互成对的衬垫。而且，当驾驶者踩踏设置于驾驶席的制动器踏板(Brake Pedal，刹车踏板)时，例如通过油压机构而使一个衬垫向另一个衬垫移动，由衬垫夹持盘片。而且，通过衬垫与盘片的摩擦力使盘片的旋转速度减小，进而使该盘片的旋转停止。通过使该盘片的旋转停止，轮胎的旋转也停止。

近年来为了保护环境，具备替代汽油而用电驱动的引擎的电动汽车的开发得以开展。在该电动汽车中为了简化结构，取代设置上述油压机构而设置电动机，利用该电动机来使上述衬垫动作的方案在探讨之中。

另外，在这种电动汽车中，为了提高安全性、舒适地行驶，使汽车的制动器踏板的踩踏角度与轮胎的减速度密切对应的方案在探讨之中。为此，需要使制动器踏板的踩踏角度与由电动机施加的衬垫的推压力互相对应，但难以高精度地调整由电动机施加的上述推压力。而且，在衬垫的背面(与盘片的推压面相反的面)设置压电元件的方案正在研究之中。具体而言，利用该压电元件检测出衬垫的背面的压力检测区域的压力变化，基于该检测结果，对电动机的动作进行控制的方案在研究之中。

但是，当推压盘片时，存在例如由于衬垫的推压面和盘片的各面的微小的凹凸，使衬垫的某一点的压力与其他点的压力相比暂时性地变大、变小的情况。由于存在像这样的压力的偏差变大的情况，所以存在无法进行稳定的控制的情况。虽然对电动汽车的盘片制动器进行了说明，但使用像这样推压盘片来控制盘片的旋转速度的制动装置的设备，与该盘片制动器同样地，提出了针对用户的操作高精度地进行制动的要求。

在专利文献1中对由水晶构成的压力传感器中使多个电极形成于水晶片的单侧的结构进行了记载，但该结构并不能解决上述问题。

先行技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2001-349816号公报

发明内容

发明要解决的课题

本发明是为了解决上述问题而完成的，其课题为提供一种能够高精度地对盘片的减速进行控制的技术。

用于解决课题的技术手段

本发明的制动装置，其特征在于，包括：

旋转的盘片；

在上述盘片的一面侧，与盘片相对设置的第一衬垫；

在上述盘片的另一面侧，隔着上述盘片与上述第一衬垫相对设置的第二衬垫；

电动致动器，其使上述第一衬垫向上述第二衬垫移动，通过上述第一衬垫和上述第二衬垫夹持并推压上述盘片，抑制上述盘片的旋转；

推压力设定部，其输出用于设定衬垫对上述盘片的推压力的设定信号；

设置于上述第一衬垫(第一衬垫的各不相同的位置)或上述第二衬垫的各不相同的位置，检测上述衬垫的应力的多个压电元件；

对从上述多个压电元件得到的电信号进行处理，生成与衬垫对上述盘片的推压力对应的推压力检测信号的信号处理部；和

求出上述设定信号与上述检测信号的偏差，基于该偏差，运算上述电动致动器的操作信号并输出的运算部。

作为本发明的具体实施方式，例如如下所述。

(a)上述信号处理部基于从多个压电元件得到的电信号的最大值、最小值或平均值生成上述检测信号。

(b)多个压电元件共用压电片。

(c)上述压电元件由水晶片构成。

(d)上述电动致动器具备：电动机；和用于将该电动机的转矩转换为用于使上述第一衬垫移动的直线运动的转换部件，上述操作信号被输出到上述电动机。

(e)上述盘片与行驶车辆的车轮连动旋转。

另外，本发明的输送用设备和产业用设备的特征在于分别具有上述的制动装置。

发明效果

根据本发明，在衬垫的各不相同的多个位置设置压电元件，检测出各位置的衬垫的应力，处理各检测信号，将处理后的信号作为反馈信号，因此使偏向局部的应力的影响变小，能够高精度地对盘片的减速进行控制。

附图说明

图1是本发明的实施方式的汽车的立体图。

图2是盘片制动器的横截平面图。

图3是压力传感器的平面图。

图4是设置有压力传感器的支承部件的平面图。

图5是盘片制动器的结构图。

图6是盘片制动器的结构图。

图7是应用了上述盘片制动器的起重机(Crane，吊车)的侧面图。

图8是上述起重机的平面图。

图9是应用了上述盘片制动器的风车的侧面图。

附图符号说明

1       汽车

11      盘片制动器

12      制动器踏板

13      设定信号输出部

21      盘片

22      卡钳

31、32  摩擦衬垫

4       压电元件

40      水晶片

41～45  电极

51a～55a压力检测区域

具体实施方式

图1是作为本发明的车辆的汽车1的概略立体图。在该汽车1中，在每个轮胎设置有盘片制动器11。图中12是设置于汽车1的驾驶席的制动器踏板。制动器踏板12与成为推压力设定部的设定信号输出部13连接。当驾驶者踩踏制动器踏板12时，从设定信号输出部13输出与该制动器踏板12的角度相应的电平的设定信号V0。该设定信号V0是用于设定后述的摩擦衬垫31、32对盘片21的推压力的信号。图中14是将设定信号输出部13与各盘片制动器11的电动机2连接的线缆。

盘片制动器11具有直立(立起)的圆形的盘片21。虽然省略了图示，但在盘片21的外侧与盘片21并排(平行)地设置有汽车1的轮胎，盘片21与轮胎连动旋转。

也参照图2继续进行说明。以跨越盘片21的两侧的方式，配置有形成大概形状为コ字型的卡钳(Caliper)22。卡钳22具有从盘片21观察分别设置于汽车1的内侧、外侧的腿部23、24和与这些腿部23、24连接的桥部25。在腿部23、24与盘片21之间，设置有与盘片21相对的板状的摩擦衬垫31、32。摩擦衬垫31固定于设置于腿部23的活塞26，摩擦衬垫32固定于腿部24。摩擦衬垫31、32由衬垫主体33、支承部件34构成，衬垫主体33的推压面35与盘片21相对。

在腿部23设置有在盘片21的厚度方向上延伸的旋转轴36，在旋转轴36的外周面刻有螺纹。在上述活塞26，螺母38固定设置于该活塞26，在螺母38的内周面刻有与上述旋转轴36的螺纹螺合的螺纹。而且，通过旋转轴36旋转，活塞26能够使摩擦衬垫31在盘片21的厚度方向上进退。另外，在旋转轴36连接有蜗轮(Worm Wheel)37。

在卡钳22设置有构成电动致动器的上述电动机2，在电动机2的电动机旋转轴27设置有蜗杆(Worm Gear)28。如后所述当将基于上述设定信号V0运算的操作信号Vc向电动机2输入时，以与该操作信号Vc和反馈信号相应的转矩驱动电动机2，使蜗杆28旋转。由此，通过蜗轮37而使旋转轴36旋转，摩擦衬垫31相对于盘片21进退。当摩擦衬垫31向盘片21移动时，盘片21被摩擦衬垫31、32夹持，被与电动机2的转矩相应的推压力推压。而且，通过盘片21与摩擦衬垫31、32的摩擦力而使盘片21的旋转减速，进而停止。

在摩擦衬垫32的腿部24侧的面(背面)设置有压电元件4。将压电元件4的表面、背面(内表面)分别用图3(a)、图3(b)表示。压电元件4由X截割(X cut，X切割)的圆形的水晶片40构成。另外，作为水晶片40，只要用对于施加到该水晶片40的压力产生较大电荷的水晶片即可，除X截割以外STBC截割(切割)的水晶片也能有效使用。

在水晶片40的表面，在中央部设置有电极41。在电极41的周围设置有电极42～45。在水晶片40的背面(内表面)，以与电极41～45相对的方式设置有共通电极46，该共通电极46接地。在压电元件4中，将设置有各电极41～45的水晶片40的中央部的区域和将周缘部在周方向上分割为四个的区域，分别设为区域51～55。

图4表示摩擦衬垫32的支承部件34的背面。在上述摩擦衬垫32中，令与水晶片40的各区域51～55重合的各区域51a～55a为压力检测区域。在各压力检测区域51a～55a设置有用于从电极41～45取出信号的电极61～65。电极61～65以与水晶片40的电极41～45重叠的方式设置。

与摩擦衬垫32的压力检测区域51a～55a受到的应力相应地，在水晶片40的各区域51～55施加应力。通过水晶的压电效应，与施加到水晶片40的各区域51～55的应力相应地产生电荷，将与该电荷的量相应的电平的信号从电极41～45输出。即，本例中压电元件4虽然只设置了一个，但实质上能够看作在各压力检测区域51a～55a单独(分别)设置压电元件，各压电元件共用水晶片。

图5是盘片制动器11的电路结构图。该图5中为了便于图示而将压电元件4的各电极41～45和水晶片40的区域51～55在纸面上展开表示。各电极41～45与放大器71连接，来自各电极41～45的输出V1～V5被以规定的放大率放大。设放大后的输出信号为V’1～V’5。在各放大器71的后段分别连接有最大值检测部72、最小值检测部73、平均化部74。

最大值检测部72检测出输出信号V’1～V’5中取最大值的信号(设为V’max)，将该信号V’max输出到后段。最小值检测部73检测出输出信号V’1～V’5中取最小值的信号(设为V’min)，将该信号V’min输出到后段。另外，平均化部74运算V’1～V’5的平均值，将运算后的电平的信号(设为V’ave)输出到后段。这些最大值检测部72、最小值检测部73、平均化部74、第一比较部75和第二比较部76，相当于生成摩擦衬垫32对盘片21的推压力所对应的检测信号的信号处理部。

在最大值检测部72、最小值检测部73的后段连接有第一比较部75，在第一比较部75中，运算来自最大值检测部72的输出和来自最小值检测部73的输出的偏差，将与该偏差对应的信号输出到后段。第一比较部75的后段侧，与第二比较部76连接。第二比较部76对来自第一比较部75的输出值和预先设定的基准值ΔVa的大小进行比较。然后，第二比较部76根据该比较结果进行开关77的切换动作。在该开关77的前段侧，设置有最小值检测部73和平均化部74，通过开关77将最小值检测部73、平均化部74的一方的输出，供给到后段侧。

在上述开关77的后段设置有第三比较部78。另外，在第三比较部78的前段连接有设定信号输出部13，运算来自最小值检测部73的输出信号V’min或来自平均化部74的输出信号V’ave与来自设定信号输出部13的设定信号V0的偏差，输出到后段。在第三比较部78的后段连接有例如包含放大器79的积分电路81，积分电路81的后段侧与电动机2连接。根据从该积分电路81输出的操作信号Vc，控制电动机2的转矩。第三比较部78、放大器79和电容器80，相当于运算并输出电动机2的设定信号的运算部。

接着，对上述的盘片制动器11的作用进行说明。在汽车1的行驶中，如果驾驶者踩踏制动器踏板12的踩踏角度变大，则与角度变大的量相应地，从设定信号输出部13输出的设定信号V0增大，从第三比较部78到积分电路81的输出增大。然后，从积分电路81输出的操作信号Vc上升，电动机2的转矩上升，摩擦衬垫31向摩擦衬垫32移动，将盘片21向摩擦衬垫32推压的推压力变大。

而且，摩擦衬垫32的各压力检测区域51a～55a对盘片21的推压力变大，施加到水晶片40的各区域51～55的应力增大。由此，从各区域51～55输出的压力检测信号V1～V5也变大，从各放大器71输出的放大信号V’1～V’5也变大。而且，将放大信号V’1～V’5分别输出到最大值检测部72、最小值检测部73、平均化部74。

由于放大信号V’1～V’5增大，所以从最大值检测部72输出的V’max、从最小值检测部73输出的V’min和从平均化部74输出的V’ave增加。将信号V’max、V’min输入到第一比较部75，运算V’max-V’min。将该差信号V’max-V’min输入到第二比较部76，第二比较部76比较基准值ΔVa和V’max-V’min的大小。

在此，当V’max-V’min＞ΔVa时，对开关77进行切换以使平均化部74与第三比较部78连接。然后，在第三比较部78，运算设定信号V0与从最小值检测部73(平均化部74)输出的V’ave的偏差V0-V’ave。如上所述由于V’ave变大，所以上述偏差变小，输出到电动机2的操作信号Vc减小，电动机2的转矩的上升受到抑制。然后，当上述偏差为0时，操作信号Vc的增加停止，电动机2的转矩的上升停止。

当V’max-V’min≤ΔVa时，对开关77进行切换以使最小值检测部73与第三比较部78连接。然后，在第三比较部78，运算设定信号V0与从平均化部74(最小值检测部73)输出的V’min的偏差V0-V’min。如上所述由于V’min变大，所以上述偏差变小，输出到电动机2的操作信号Vc减小，电动机2的转矩的上升受到抑制。然后，当上述偏差为0时，操作信号Vc的增加停止，电动机2的转矩的上升停止。

在汽车1的行驶中，如果驾驶者踩踏制动器踏板12的踩踏角度变小，则与角度变小的量相应地，从设定信号输出部13输出的设定信号V0减小，从第三比较部78向积分电路81的输出减小。然后，从积分电路81输出的操作信号Vc减小，电动机2的转矩变小。摩擦衬垫31向离开摩擦衬垫32的方向移动，将盘片21向摩擦衬垫32推压的推压力变小。

而且，摩擦衬垫32的各压力检测区域51a～55a对盘片21的推压力变小，施加到水晶片40的各区域51～55的应力减小。由此，从各区域51～55输出的压力检测信号V1～V5也变小，从各放大器71输出的放大信号V’1～V’5也变小。而且，将放大信号V’1～V’5分别输出到最大值检测部72、最小值检测部73、平均化部74。

由于放大信号V’1～V’5减小，所以从最大值检测部72输出的V’max、从最小值检测部73输出的V’min和从平均化部74输出的V’ave减小。将信号V’max、V’min输入到第一比较部75，运算V’max-V’min。将该差信号V’max-V’min输入到第二比较部76，第二比较部76比较基准值ΔVa和V’max-V’min的大小。

在此，当V’max-V’min＞ΔVa时，对开关77进行切换以使平均化部74与第三比较部78连接。然后，在第三比较部78，运算设定信号V0与从平均化部74输出的V’ave的偏差V0-V’ave。如上所述由于V’ave变小，所以上述偏差逐渐变小，输出到电动机2的操作信号Vc的减小受到抑制，由此，该电动机2的转矩的减小受到抑制。然后，当上述偏差为0时，操作信号Vc的减小停止，电动机2的转矩的减小停止。

当V’max-V’min≤ΔVa时，对开关77进行切换以使最小值检测部73与第三比较部78连接。然后，在第三比较部78，运算设定信号V0与从最小值检测部73输出的V’min的偏差V0-V’min。如上所述由于V’min变小，所以上述偏差变小，输出到电动机2的操作信号Vc的减小受到抑制，电动机2的转矩的减小受到抑制。然后，当上述偏差为0时，操作信号Vc的减小停止，电动机2的转矩的减小停止。

如上所述，在设置于汽车1的盘片制动器11中，压电元件4设置于摩擦衬垫32的背面。关于从压电元件4的各区域51～55输出的信号V’1～V’5，在其最大值与最小值的差异大时，通过采用这些V’1～V’5的平均值，即使在压电元件4的面内的压力不均匀的状态，也能够不使偏离的值被引入控制，能够进行稳定的盘片制动器11的控制。在最大值与最小值的差异小时，通过采用最小值，能够使盘片制动器11在安全侧动作以防止盘片21的推压力变得过小。像这样在盘片制动器11中，即使压电元件4检测出的压力有偏差，也能抑制盘片制动器11的控制受到影响。其结果是，能够与制动器踏板12的踩踏对应地，以高精度控制盘片21的减速。

图6表示盘片制动器11的其他结构例，对与图5所示的盘片制动器11的结构例的差异点进行说明。平均化部74和最小值检测部73的后段侧与第一比较部75连接，在第一比较部75运算V’ave-V’min。然后，第二比较部76基于预先设定的基准值ΔVb与该运算值V’ave-V’min的大小的比较结果对开关77进行切换。在最小值检测部73和平均化部74的后段设置有上述开关77，最小值检测部73或平均化部74与第三比较部78连接。

关于图6的盘片制动器11的作用，对与图5的盘片制动器的差异点进行说明。在第二比较部76，当判定为V’ave-V’min＞ΔVb时，对开关77进行切换以使平均化部74与第三比较部78连接。然后，在第三比较部78运算偏差V0-V’ave，将与该运算值对应的信号在积分电路81积分，向电动机2输出。

当在第二比较部76判定为V’ave-V’min≤Vb(ΔVb)时，切换开关77以使最小值检测部73与第三比较部78连接。然后，在第三比较部78运算偏差V0-V’min，将与该运算值对应的信号在积分电路81积分，向电动机2输出。

像这样在图6的结构例中，关于从压电元件4的各压力检测区域51～55输出的信号V’1～V’5，在其平均值与最小值的差异大时，用这些V’1～V’5的平均值运算与设定信号V0的偏差，在其平均值与最小值的差异小时，使用这些V’1～V’5的最小值。采用这种结构也能获得与图5的盘片制动器11同样的效果。另外，具有也可以不设置最大值检测部72的优点。

上述实施方式的压电元件4，采用在共通的水晶片40形成电极，实质上作为五个压电元件起作用的结构，但也可以是将水晶片分割成各个单片，分别作为单独的压电元件的结构。但是，如上述的实施方式所示，通过在共通的水晶片40设置多个电极，能够抑制由温度特性等水晶片各自具有的特性的差异而导致从水晶片的各电极输出的信号具有偏差的情况。因此，能够以更高精度控制盘片21的减速。

水晶片40的形状可以是任何形状，除图3所示的圆形以外也可以是正方形、长方形、菱形等任何形状。另外，形成于水晶片的各电极的形状也并不限定于图3所示的长方形，可以是任何形状。例如也可以是正方形、长方形、菱形、圆形、扇形等。

压电元件4也可以设置于摩擦衬垫31的背面(与推压面35相反的面)，也可以埋入摩擦衬垫31、32。另外，摩擦衬垫31、32也可以是从两侧推压盘片21的结构。

关于成为制动装置的盘片制动器11，对作为输送用设备的汽车的应用例进行了说明，但该盘片制动器11也能够应用于此外的输送用设备。例如，将盘片制动器11应用于列车，替代上述的轮胎使该列车的车轮与盘片21连动旋转，通过这样的结构，能够高精度地进行上述车轮的制动。另外，通过将盘片制动器11应用于飞机的车轮(起落架)，与列车的情况同样地，能够高精度地进行上述车轮的制动。另外，除车轮以外，也能够将盘片制动器11应用于船舶的螺旋桨、飞机的推进器(螺旋桨)。即，以盘片21与推进器和螺旋桨连动旋转的方式构成，通过盘片制动器11能够高精度地控制这些推进器、螺旋桨的旋转。像这样应用了盘片制动器11的汽车、船舶、飞机等输送用设备也包含在本发明的权利范围中。

对其他应用本发明的各种产业设备进行说明。图7是作为建筑设备的起重机8的侧面图，图8是该起重机8的平面图。图中81是基台，图中82是通过未图示的电动机相对于基台81绕垂直(铅直)轴旋转的支柱，图中83是固定于支柱82的旋转台。图中84是从旋转台83向上方延伸的臂，通过设置于旋转台83的电动机84b相对于水平面自由调整为任意角度。

85是设置于臂84的前端侧的滑轮，通过设置于臂84的未图示的电动机而绕水平轴转动。在该滑轮85固定有缆线86的一端，在缆线86的另一端连接有物资搬运用的吊钩87。通过上述电动机进行向滑轮85的缆线的卷取或悬垂，吊钩87升降自如。在滑轮85、臂84、支柱82以分别与各部一起旋转的方式设置有法兰盘(Flange)85a、84a、82a。这些法兰盘85a、84a、82a相当于上述的实施方式的盘片21。而且，与这些法兰盘85a、84a、82a对应地分别设置有卡钳22。

例如当用户操作相当于制动器踏板12的操作杆时，与所述的实施方式同样地，能够通过卡钳22分别独立地抑制各法兰盘85a、84a、82a的旋转速度，高精度地对旋转台83的朝向的变更速度、臂84的角度变更速度和吊钩87的升降速度进行控制。由此上述建材的搬运变得容易，能够实现作业的效率化。另外，在本例中也能够取代吊钩87而构成为能够升降搬运人或物资的台或箱状体的方式，构成为升降梯(电梯)装置。此外将本发明的制动装置应用于例如叉车(Forklift)，也能够高精度地控制叉的升降速度。

图9中表示了作为产业设备而具有本发明的制动装置的风力发电装置9。图中91是风车，图中92是与风车连接的支承部。图中93是设置于支承部的法兰盘，相当于盘片21。图中94是与支承部92的旋转速度相应地发电的发电部。例如通过相当于制动器踏板12的操作杆使卡钳22动作，能够使风车91的旋转减速。由此例如当风力过强时，能够抑制风力发电装置9的破损且得到适当的发电量。本发明能够应用于使用像这样推压盘片、控制盘片的旋转速度的制动装置的各种产业设备，应用了本发明的制动装置的产业设备也包含在本发明的权利范围中。

Claims (8)

1.一种制动装置，其特征在于，包括：

旋转的盘片；

在所述盘片的一面侧，与盘片相对设置的第一衬垫；

在所述盘片的另一面侧，隔着所述盘片与所述第一衬垫相对设置的第二衬垫；

电动致动器，其使所述第一衬垫向所述第二衬垫移动，通过所述第一衬垫和所述第二衬垫夹持并推压所述盘片，抑制所述盘片的旋转；

推压力设定部，其输出用于设定衬垫对所述盘片的推压力的设定信号；

设置于所述第一衬垫或所述第二衬垫的各不相同的位置，检测所述衬垫的应力的多个压电元件；

对从所述多个压电元件得到的电信号进行处理，生成与衬垫对所述盘片的推压力对应的推压力检测信号的信号处理部；和

求出所述设定信号与所述检测信号的偏差，基于该偏差，运算所述电动致动器的操作信号并输出的运算部。

2.如权利要求1所述的制动装置，其特征在于：

所述信号处理部基于从多个压电元件得到的电信号的最大值、最小值或者基于平均值生成所述检测信号。

3.如权利要求1所述的制动装置，其特征在于：

多个压电元件共用压电片。

4.如权利要求1所述的制动装置，其特征在于：

所述压电元件由水晶片构成。

5.如权利要求1所述的制动装置，其特征在于：

所述电动致动器具有：电动机；和用于将该电动机的转矩转换为用于使所述第一衬垫移动的直线运动的转换部件，

所述操作信号被输出到所述电动机。

6.如权利要求1所述的制动装置，其特征在于：

所述盘片与行驶车辆的车轮连动旋转。

7.一种输送用设备，其特征在于：

具备权利要求1所述的制动装置。

8.一种产业用设备，其特征在于：

具备权利要求1所述的制动装置。

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