JP2005113995A - 車両用ブレーキ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡易な構造で電気的に制御可能な車両用ブレーキ装置を提供すること。
【解決手段】 シリンダ孔２２とピストン２３，２４で画成された収容室２５内に配置した電動ポリマー体３０と、電動ポリマー体３０との間を電気的に接続し、電動ポリマー体３０への印加電圧の制御が可能なコントローラ４０とを有し、コントローラ４０を通じてブレーキペダルの踏力に応じた電圧を印加して電動ポリマー体３０を伸長可能に構成した車両用ブレーキ装置。
【選択図】 図２

Description

本発明は自動車や鉄道車両等の車両用ブレーキ装置に関するものである。

自動車や鉄道車両等の車両用ブレーキとしては古くからブレーキ液や空気などの流体圧力がブレーキ作動源として用いられてきたが、近時これらの流体圧力を用いずに、電気信号によって電動モータを作動させブレーキ力を発生する電動ブレーキ装置が、特許文献１や特許文献２において、ドラムブレーキ装置やディスクブレーキ装置に適用されている。

これらの両ブレーキタイプに適用した電動ブレーキ装置は、一般的なブレーキ部材（ブレーキシュー、ブレーキパッド）と被制動部材（ブレーキドラム、ディスクロータ）を備えていることに加えて、電動モータと、電動モータの回転をブレーキ部材の作動力に変換して伝えるための例えば歯車機構、ねじ送り機構、リンク機構、クラッチ機構の一種または複数を組み合わせたトルク変換伝達機構を備えた共通の構成を有している。

特開２００１−１２５２１号公報 特開２００３−１７２３８４号公報

前述した従来の電動ブレーキ装置にあってはつぎのような問題点がある。
（１）電動モータとトルク変換伝達機構とを組み合わせた複雑な構造となって、ブレーキ装置の重量増加とコスト高の問題がある。
（２）車両の安全上要求される最大ブレーキ力を発生させるためには、１輪当りの電動モータの消費電力（例えば５００〜１０００Ｗ）が大きく、車両の電力供給能力（通常２０００〜４０００Ｗ）では大幅に不足である。
（３）電動モータがブレーキ装置の外部に突出するために、車輪回りの狭隘な取付けスペースにおける設計レイアウトが難しくなる。

本発明は、ブレーキ力の発生源として従来の液圧式及び空圧式アクチュエータによる流体圧力や電動モータによる回転トルクに替えて、電圧の印加で伸長する電動ポリマー体を使用することを主要な特徴とするものである。
すなわち本発明は、被制動部材を押圧するブレーキ部材と、アクチュエータを備え、前記アクチュエータはアクチュエータボディの内部に形成されたシリンダ孔内に摺動自在に収容されて前記ブレーキ部材を作動するピストンを具備する車両用ブレーキ装置であって、前記シリンダ孔とピストンで画成された収容室内に配置した電動ポリマー体と、前記電動ポリマー体との間を電気的に接続し、電動ポリマー体への印加電圧の断続または極性の切り替えが可能なコントローラとを有し、前記コントローラからの信号により電圧を印加して前記電動ポリマー体を伸長可能に構成した車両用ブレーキ装置を提供することで、上述の課題を解決する。

さらに、電動ポリマー体が導電性高分子樹脂成形品またはイオン伝導性高分子樹脂成形品であるとよい。
さらに、ブレーキ装置がドラムブレーキ装置またはディスクブレーキ装置であるとよい。

本発明は、ブレーキ作動源に電動ポリマー体を活用し、簡易な構造で高性能な車両用ブレーキ装置を提供することで、つぎの特有の効果を奏する。
＜１＞電気的に制御可能で簡易な構造の車両用ブレーキ装置を得ることができる。
＜２＞電圧の印加により伸長可能な電動ポリマー体をアクチュエータのシリンダ孔内に収容するだけの簡単な構造にすることができる。
＜３＞電動ポリマー体の変形に要する電圧および消費電力は、従来の電動モータを具備する電動ブレーキ装置と比べて格段に低減できて経済性に優れている。
＜４＞従来の電動ブレーキ装置の電動モータやトルク変換伝達機構が不要となり、コンパクト化と軽量化だけでなくブレーキ装置内外における設計の自由度が高くなる。
＜５＞さらに、ドラムブレーキ装置やディスクブレーキ装置などの各種の形式のブレーキ装置に適用できて汎用性に富んだ使い方ができる。

以下、図面を参照しながら本発明の一例について説明する。本例では車両用ブレーキ装置をリーディング・トレーリング形（ＬＴ形）のドラムブレーキ装置に適用した場合の一例を示す。

＜１＞ブレーキ装置の概要
図１はＬＴ形ドラムブレーキブレーキ装置の全体を示し、図２はその要部、すなわちアクチュエータの断面を示す。なお、本説明中で用いる「左・右」および「上・下」は特記なき場合は、図１によるものとする。

ブレーキ装置は、車体に固設されるバックプレート１０と、そのバックプレート１０に略左右対称に配設されたブレーキ部材である一対のブレーキシュー１１，１２と、その一対のブレーキシュー１１，１２の上端部間に配設されてバックプレート１０に固定されたアクチュエータ２０と、一対のブレーキシュー１１，１２の下端部間に配設されてバックプレート１０に固定されたアンカー１３と、一対のブレーキシュー１１，１２の上部間および下部間に夫々が跨がって配設されて互いに接近する方向へ付勢するリターンスプリング１５，１６と、一対のブレーキシュー１１，１２の非作動位置を規定するストラット１４とを備えている。

一対のブレーキシュー１１，１２の間に架設されたねじ式のストラット１４と、一方のブレーキシュー１１に枢支されたアジャストレバー１７と、アジャストレバー１７および一方のブレーキシュー１１間に張設されたアジャストスプリング１８とにより、ライニングの摩耗により変化したシュー間隙を補整するシュー間隙自動調整機構を構成することや、パーキングブレーキ用のブレーキレバー１９を具備することは公知のＬＴ形ドラムブレーキ装置と同様である。

＜２＞アクチュエータ
アクチュエータ２０はアクチュエータボディ２１を有し、その内部に両口開放形のシリンダ孔２２を形成していて、このシリンダ孔２２内に一対のピストン２３，２４を摺動自在に収容している。
各ピストン２３，２４の外端面に形成された溝内には前記した一対のブレーキシュー１１，１２のシューウェブ１１ａ，１２ａを夫々収容していて、各ピストン２３，２４の進出作動に伴い一対のブレーキシュー１１，１２が拡張する構成になっており、退入作動時には前記したリターンスプリング１５，１６の付勢力により収縮するようになっている。
シリンダ孔２２内には各ピストン２３，２４の内方端面を当接可能な段差面が形成されていて、各ピストン２３，２４の内方端面がシリンダ孔２２内の段差面に当接することで各ピストン２３，２４の戻り位置を一定に規制している。

シリンダ孔２２内のピストン２３，２４の間には収容室２５を形成していて、この収容室２５内には電圧の印加により軸方向に沿って長さが伸長する電動ポリマー体３０を収容している。
電動ポリマー体３０の軸方向の両端には図示しない電極を夫々配置していて、これらの各電極と、アクチュエータ２０の外部に配置したコントローラ４０との間を配線している。
コントローラ４０は、電動ポリマー体３０への電圧の印加と停止、および極性の切り替えが可能な構成となっていて、各種のセンサを介して図示しない車両のブレーキペダルの踏み込みの有無、ブレーキペダルの踏み込み量や踏み込み速度等の踏力の入力情報を基に電動ポリマー体３０への電圧の印加を調整して電動ポリマー体３０の伸縮制御を行う。
なお、車両のブレーキペダルに係る各情報を用いず、例えば、駐車ブレーキ作動など運転者の意思による任意のスイッチ情報に置き換えることは容易に想像される。
また、車速や前を走行中の車両との車間等の入力情報を基に制御することで、自動ブレーキシステムにも対応可能である。

電動ポリマー体３０は、例えば、同一長さに揃えた多数の高分子材を同一方向に並べて円柱状に形成したもので、例えば、高分子材の両端部に電圧を印加することで長さが伸長変化する性質を有する公知の素材で構成する。

＜３＞電動ポリマー体の素材例
電動ポリマー体３０の具体的素材例としては、導電性高分子又はイオン伝導性高分子などがある。
導電性高分子としては、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェンなどが挙げられる。また、これら（ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン）の誘導体（ポリマー鎖中に各種置換基を導入したもの）、これらを他のポリマーと複合化したもの、これらにドナー（電子供与性物質）またはアクセプター（電子吸引性物質）をドーピングしたものなども本発明に用いることができる。さらには、前記複合化・ドーピングなどの処理を施したポリウレタン類、ポリアクリル酸誘導体、ポリメタクリル酸誘導体なども、導電性高分子として本発明に用いることができる。
イオン伝導性高分子としては、スルホン酸基、カルボキシル基を有するフッ素樹脂を主体とするイオン交換樹脂などが使用可能である。電動ポリマー体３０にイオン交換樹脂を用いる場合は、イオン交換樹脂を成形品とし、その内部に、交換されるべきイオンの供給と成形品を伸張させるためのイオンの移動（すなわちイオンの交換）を可能にする、イオン性溶液またはイオン性液体を共存させる必要がある。
前記イオン性液体としては、１−アルキルピリジウム塩系、１，３−ジアルキルイミダゾリウム塩系、四級アンモニウム塩系などの、常温で液体の有機塩類がある。

＜４＞電動ポリマー体の制御要素
電動ポリマー体３０によるピストンの押圧力は、基本的に電動ポリマー体３０を構成する高分子材の本数（体積）や印加電圧の大きさによって決まり、またブレーキ力の緩急操作は、電動ポリマー体３０への印加電圧の大きさと印加速度をそれぞれ変化させることで任意に制御可能である。
また電動ポリマー体３０の長さの変化は、例えば一定量のイオン移動であるため消費電力も少なくて済み、また分子レベルでの動きであるため電動ポリマー体３０の変形時に発生するノイズが生じない。
なお、電動ポリマー体３０へ印加する電圧の極性（プラス・マイナス）の切り替えにより、電動ポリマー体３０を収縮させることも可能である。
また、電圧の大きさの変化に対し、変位量の大きな電動ポリマー体３０を使用することでブレーキ作動時のストロークを大きくとることができる等の優れた効果を奏することができる。

＜５＞コントローラ
コントローラ４０は、ブレーキペダルの作動状態から信号を受けて、電動ポリマー体３０に制御信号を送る。コントローラ４０は、図示しないブレーキペダルの種々の作動状態を検出する検知センサ類、例えば、ブレーキペダルの踏み込みの有無の検知センサ、ブレーキペダルの踏み込み量の検知センサ、踏み込み速度の検知センサの検知信号を受信する。ブレーキペダルが踏み込まれた場合、コントローラ４０は、例えば、踏み込み量に比例した電圧値、踏み込み速度に比例した立ち上がり傾斜の電圧波形を出力する。これらの電圧波形が電動ポリマー体３０に印加されると、電動ポリマー体３０は、電圧波形に応じた長さと速度で伸長する。なお、ここで比例とは、正比例に限らず、電動ポリマー体３０と電圧波形との特性に応じた伸長の変化を意味する。コントローラは、また、種々のブレーキ制御を行い、例えば、車輪が路面に対してスリップした時には、通常のアンチスキッド制御を行う信号を電動ポリマー体３０に印加する。このような電動ポリマー体３０のブレーキ制御の場合、従来の油圧制御に比して、電気信号の直接制御によるため、極めて制御が容易となり、また、従来の油圧−機械変換に伴う振動や騒音の発生を回避できる。

＜６＞制動原理
電動ポリマー体３０への電圧の印加に伴い収容室２５内の電動ポリマー体３０が軸方向に伸長する。電動ポリマー体３０が一対のピストン２３，２４の内端面に当接した後も伸長を続けることで、押圧力が働いて一対のピストン２３，２４を外方へ押し出す。その結果、従来と同様に拡開した一対のブレーキシュー１１，１２が被制動部材であるブレーキドラム（図示せず）に摩擦係合してブレーキ力が発生する。

ブレーキペダルが元の位置に復帰すると、この情報がセンサ類を通じてコントローラ４０へ入力され、電動ポリマー体３０への電圧が除去される。
電圧が除去された電動ポリマー体３０は瞬時に収縮する。電動ポリマー体３０が元の形状に収縮するのに伴い、シューリターンスプリングのばね力を以って、一対のピストン２３，２４が押し戻されて一対のブレーキシュー１１，１２が縮径方向に変位してブレーキが開放される。
なお、各ピストン２３，２４はその内方端面がシリンダ孔２２内の段差面に当接してそれ以上の後退が規制されるが、その行程中で一対のブレーキシュー１１，１２がストラット１４に当接してそれ以上の後退が規制される。

＜７＞適用可能なドラムブレーキ装置
以上はブレーキ装置がドラムブレーキ装置で、ＬＴ形に適用した場合について説明したが、他にもデュオサーボ形（ＤＳ形）、ユニサーボ形（ＵＳ形）、ツーリーディング形（２Ｌ形）、デュオツーリーディング形（Ｄ２Ｌ形）にも適用可能である。要はピストン内蔵のアクチュエータ２０を具備するものであれば、公知の各種形式のドラムブレーキに用いられる作動シリンダの代替としても適用することが可能である。

またアクチュエータ２０は両口開放タイプであっても、シリンダ孔２２の中央に反力壁として機能する隔壁を設けて二つの空間に区画し、各空間内に夫々伸縮可能な電動ポリマー体３０を収容させてもよい。（主にＬＴ形、ＤＳ形に適用）
さらにアクチュエータ２０は両口開放タイプだけでなく、片口開放タイプに適用することも勿論可能である。（主にＵＳ形、２Ｌ形に適用）

＜８＞ディスクブレーキ装置への適用例
図３はブレーキ装置の要部、すなわちアクチュエータの断面を示す。本例のブレーキ装置は、車体に固設されるキャリア５０と、キャリア５０に図示しない一対のピン部材を介して摺動自在に支持されたキャリパ５１と、被制動部材であるディスクロータ６０の両側に配置されたブレーキ部材である一対の摩擦パッド５３，５４と、キャリパ５１の一部に一体に組み込んで形成したアクチュエータ５７とを備えている。

＜９＞アクチュエータ
アクチュエータ５７はキャリパボディと一体に形成された片口開放形のシリンダ孔５２と、このシリンダ孔５２内に摺動自在に収容したピストン５５と、シリンダ孔５２の内部に収容した電動ポリマー体３０とからなり、電動ポリマー体３０の両端部の図示しない電極を介してコントローラ４０から所定の電圧を印加できるようになっている。
ピストン５５の外端面は摩擦パッド５３の裏板に当接し、ディスクロータ６０を跨いで配置されたキャリパ５１の延設部が摩擦パッド５４の裏板に当接している。電動ポリマー体３０とコントローラ４０の構成は既述した通りである。
尚、図３において符号５８は可逆ねじと摩擦クラッチとを組み合わせた内蔵式の間隙自動調整機構で、ディスクロータ６０との摺動による摩擦パッド５３，５４の摩耗により変化したパッド間隙を自動補正する構成になっている。
間隙自動調整機構５８は本発明の必須の構成要件ではなく、省略する場合もある。

そして、ブレーキペダルの踏み込みが検知されと、コントローラ４０を通じてブレーキペダルの踏力に比例した所定の電圧が電動ポリマー体３０へ印加される。
電圧が印加されることで電動ポリマー体３０が伸長し、シリンダ孔５２の底部を反力として電動ポリマー体３０の伸長力がピストン５５の押圧力として作用する。
ピストン５５が一方の摩擦パッド５３を押し出してディスクロータ６０の一側面に当接すると、その反力で以って他方の摩擦パッド５４がディスクロータ６０の他側面に当接する。その結果、一対の摩擦パッド５３，５４がディスクロータ６０の両側面を押圧してブレーキ力が発生する。

ブレーキペダルが基の位置に復帰すると、コントローラ４０は、電動ポリマー体３０への電圧を除去する。それにより、電動ポリマー体３０は元の形状に収縮変形し、摩擦パッド５３，５４をディスクロータ６０への押圧から開放する。

＜１０＞適用可能なディスクブレーキ装置
以上はディスクブレーキ装置が一つのピストン５５を具備する場合について説明したが、複数のピストンを並設したタイプに適用できることは勿論である。この場合、複数の各シリンダ孔内に電動ポリマー体３０を配置すればよい。

また、電動ポリマー体３０を、極性切り替えができるタイプにした場合は、ブレーキペダルが基の位置に復帰した時に、コントローラ４０の信号により極性を切り替え、電圧を印加することにより、電動ポリマー体を積極的に収縮させることもできる。

なお、本発明について好適な実施形態と図面を挙げて説明したが、本発明はこれらの実施形態と図面に限定されるものではなく、以下に示すように、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計の変更が可能である。また、本出願の明細書に記載された、全ての特許、実用新案、特許出願公開、実用新案公開、特許出願、実用新案出願、外国特許、外国特許出願、そして特許前の公開に関しては、該当書類に記載された全てをここに引用するものとする。

ドラムブレーキ装置に適用した本発明に係る車両用ブレーキ装置の説明図。 図１におけるII−IIの断面図。 ディスクブレーキ装置に適用した本発明に係る車両用ブレーキ装置の説明図。

符号の説明

１０・・・バックプレート
１１，１２・・・ブレーキシュー（ブレーキ部材）
１３・・・アンカー
１４・・・ストラット
１５，１６・・・シューリターンスプリング
１７・・・アジャストレバー
１８・・・アジャストスプリング
２０・・・アクチュエータ
２１・・・アクチュエータボディ
２２・・・シリンダ孔
２３，２４・・・ピストン
３０・・・電動ポリマー体
４０・・・コントローラ
５０・・・キャリア
５１・・・キャリパ
５２・・・シリンダ孔
５３，５４・・・摩擦パッド（ブレーキ部材）
５５・・・ピストン
５７・・・アクチュエータ
５８・・・間隙自動調整機構
６０・・・ディスクロータ（被制動部材）

Claims (4)

1. 被制動部材を押圧するブレーキ部材と、アクチュエータを備え、前記アクチュエータはアクチュエータボディの内部に形成されたシリンダ孔内に摺動自在に収容されて前記ブレーキ部材を作動するピストンを具備する車両用ブレーキ装置であって、
   前記シリンダ孔とピストンで画成された収容室内に配置され、電圧の印加で伸長する電動ポリマー体と、
   前記電動ポリマー体に印加する電圧を制御するコントローラとを有し、
   前記コントローラからの信号により前記電動ポリマー体に電圧を印加して、前記電動ポリマー体を伸長してピストンを作動することを特徴とする、
   車両用ブレーキ装置。
2. 電動ポリマー体が導電性高分子樹脂成形品またはイオン伝導性高分子樹脂成形品であることを特徴とする、請求項１記載の車両用ブレーキ装置。
3. ブレーキ装置がドラムブレーキ装置であることを特徴とする、請求項１と２に記載の車両用ブレーキ装置。
4. ブレーキ装置がディスクブレーキ装置であることを特徴とする、請求項１と２に記載の車両用ブレーキ装置。

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