JP2006516701A - 厚さ検知用静電容量型センサまたは自動車ブレーキパッドへの応用 - Google Patents

Abstract

自動車ブレーキパッド（１０,３０,５３）の厚さを感知するための静電容量型センサ（１２,１４,３２,３４,５４,５６）を提供する。感知コンデンサ（１２,３２,５４）は、ブレーキパッド摩耗が、片方または両方のパッドの大きさを低減するように配置される一対の平行な極板（１８,２０；４０,４２）を含む。極板（１８,２０；４０,４２）の低減された大きさは、極板（１８,２０；４０,４２）間のキャパシタンスの変化として検知可能である。１つの態様では、基準コンデンサ（１４,３４,５６）も、ブレーキパッド（１０,３０,５３）内に配置される。基準コンデンサ（１４,３４,５６）は、ブレーキパッド（１０,３０,５３）の摩耗の間に大きさが変わらない極板の対（２２,２４；４４,４６）を含む。感知コンデンサ（１２,３２,５４）のキャパシタンスは、パッド摩耗のより正確な表示のために、基準コンデンサ（１４,３４,５６）のキャパシタンスと比較される。

Description

安全性は自動車メーカーにとって第一の関心事である。相当な時間、労力および費用が車の安全性を向上させるために必要とされる。エアバッグ、シートベルト、アンチロックブレーキ、およびクランプルゾーン（衝撃吸収帯）は、過去４０年に開発されてきた最も顕著な安全機能のうちのいくつかである。しかしながら、自動車の安全が見込まれるとした場合には、車が停止できることが絶対に必要である。もちろん、そのためには、自動車が適切なブレーキシステムを有することを必要とする。

ブレーキシステムの１つの構成要素はブレーキシューである。ブレーキパッドの原理はきわめて単純である。ブレーキパッドは、車輪を停止させる摩擦源を提供する。しかしながら、ブレーキパッドが過度にすり減ると、ブレーキパッドが正確に動作せず、ロータに費用のかかる損害を与えることになるだろう。さらに、ブレーキパッドが自動車を停止に至らせない可能性がある。

ブレーキ摩耗を知らせるために用いられる２つの一般的な方法がある。第１の方法は、標準的なパッド材料とは異なる材料を使用することを含む。この異なる材料は、（ロータから離れた）ブレーキパッドの後部に配置される。パッドがすり減った後、ついには、この異なる材料がブレーキロータに接触し始める。この材料は、ブレーキパッドを交換する必要があることをドライバーに示すために、キーッという大きなきしみ音を発生するように設計されている。残念ながら、このことは、ドライバーがその音を聞き取る能力に依存する。ドライバーによっては、この可聴警報を聞き逃すかもしれないし、その重要性を理解しないかもしれない。結局、この材料は、ロータが破損されるまで完全にすり減り、費用のかかる修理を必要とするだろう。もちろん、製品はドライバーに責任を負わせることはできないし、車の適切な維持方法をドライバーに教える製品もない。しかし、ブレーキが不良であることをドライバーが知っていれば、ドライバーがブレーキを修理するということを期待することは極めて合理的である。

すべてのドライバーが、前記の方法によって出された音に注意を払うとは限らないので、別の方法が開発されてきた。この方法は、ブレーキパッドがある箇所まで摩耗された時にトリガされて、自動車のダッシュボード上の警告灯を点灯するようにパッド内に組み込まれたセンサの使用を伴う。この方法は、問題が見過ごされてしまうという可能性を確かに減じているが、自動車のブレーキの状態に対する他の眼識は提供しない。

典型的には、この方法は、ブレーキパッドの厚さを測定するために視覚的な点検を必要とする。さらに、どのパッドがすり減ったか知るのは難しい。自動車のブレーキ摩耗が不均一になることは珍しくない。例えば、寒冷地では、自動車の１つの側面上のスライドは凍り、他のスライドは正確に作動し続けることがある。これにより、不均一なブレーキパッド摩耗が生じる。つまり、スライドがロックされるので、１つを除いてすべてのブレーキが作動しないことがある。そして、自動車が検査されなければ、このことが生じていることを知るのは難しいだろう。ブレーキパッドの検査は、一般的には整備士が車から全てのタイヤを取り外すことを必要とする。その時に初めて、不均一な摩耗が生じたことを発見することになる。

自動車ブレーキパッドの厚さを感知するための静電容量型センサが提供される。感知コンデンサは、ブレーキパッド摩耗が一つまたは二つのパッドのサイズを低減するように配列された一対の平行な極板を含む。極板の低減量は、極板間のキャパシタンスの変化として検知できる。１つの態様では、基準コンデンサもブレーキパッド内に配置される。基準コンデンサは、ブレーキパッドの摩耗の間にサイズが変わらない一対の極板を含む。パッド摩耗をより正確に表示するために、感知コンデンサのキャパシタンスが基準コンデンサのキャパシタンスと比較される。

図１は、ブレーキシューの厚さを測定するために単純なコンデンサを用いる本発明の実施例の概略図である。本発明の実施例のためには、パッド材料自体が本質的に非導電性であり、適当な誘電率を有していることが好ましい。内部に配置された一対の平行極板コンデンサ１２および１４を有するブレーキパッド１０が示される。図１に示される実施例では、ブレーキパッド摩耗は、パッドの厚さ１６を低減する方向に進む。コンデンサ１２の極板１８、２０は、互いに平行であるように配置され、ブレーキパッド摩耗が極板１８、２０の１つあるいは好ましくは両方の大きさに影響するような方向に配置されるのが好ましい。

ブレーキパッド１０はまた、好ましくは平行な極板２２、２４からなるコンデンサ１４を含む。極板２２、２４は、ブレーキパッド摩耗が極板２２、２４のどちらの大きさにも影響しないように配置される。確かに、ブレーキパッドが極めて著しく摩耗されると、極板２２、２４さえも摩耗されるが、ほとんどの場合には、極板２２、２４は本質的に不変のままであり、パッド摩耗は極板１８および２０にのみ影響する。

このように、コンデンサ１２は感知コンデンサ（Ｃ_SENS）と考えることができる。コンデンサ１４のキャパシタンスは、非摩耗関連変数に対してはＣ_SENSとともに変化するが、パッド摩耗に関してはＣ_SENSに対して一定のままなので、コンデンサ１４は基準コンデンサ（Ｃ_REF）と考えることができる。したがって、パッドの厚さはＣ_SENS／Ｃ_REFの値に比例する。さらに、Ｃ_SENSのキャパシタンスは、並列の極板の面積を（一定の）極板間の距離で割った値に比例する。最高の感度のためには、Ｃ_SENSの極板はパッド摩耗の方向と平行であるように配置されるのが好ましい。しかしながら、本発明の実施例は、Ｃ_SENSの極板の１つまたは両方が、Ｃ_REFの極板と単に違うように、あるいはＣ_REFの極板と異なる程度まで摩耗するような任意の構成で実施することができる。さらに、極板間のキャパシタンスに影響する、例えばパッド温度のような要因が、既知であるか、測定されるか、または引き出される場合に、第２のコンデンサＣ_REFを使用する必要がないことが想像できる。

図２は、好ましくはドラムブレーキに使用可能な本発明の実施例の概略図である。ブレーキパッド３０は、基礎部材３１、およびＣ_SENS３２とＣ_REF３４とをその内部に有し、車を止めるためにドラムロータ３６に係合するように構成されたパッド部３３を含む。パッド摩耗は矢印３８の方向に進み、その摩耗は、コンデンサ３４の極板４４、４６に影響するよりはるかに大きな程度までコンデンサ３２の極板４０、４２の大きさに影響する。

図３は、好ましくはディスクブレーキに使用可能な本発明の実施例の概略図である。
ブレーキパッド５０、５２は、それぞれ基礎部材５１、およびＣ_SENS５４とＣ_REF５６とをその内部に有し、車を止めるためにディスクロータ５８に係合するように構成されたパッド部５３を含むのが望ましい。パッド摩耗は、矢印６０、６２の方向に進み、その摩耗は、Ｃ_REFコンデンサ５６の極板に影響するよりはるかに大きな程度までＣ_SENSコンデンサ５４の極板にの大きさに影響する。

前述のように、ブレーキパッド材料は、非導電性で、好ましい誘電率を有することが想定されている。前述の実施例では、極板は、互いに平行に、かつブレーキロータに対して垂直に配置されるのが望ましい。パッド摩耗が生じるにつれて、平行な極板の外縁も摩耗される。これにより平行な極板の面積が有効に低減され、それに応じて直線的にセンサのキャパシタンスが低減される。組み込まれたセンサＣ_SENSのキャパシタンスは、基準コンデンサＣ_REFと比較されるのが望ましい。これら２値の比率は直線的に変化し続け、それにより、誰でも、パッド寿命中のどの時点でもブレーキパッドの厚さを測定することができる。また、視覚的な検査を行なう必要なく、厚さを測定することができる。

ブレーキがかけられている時には、ロータとブレーキシューとが接触している。これによりコンデンサ極板がロータに短絡する。したがって、ブレーキパッドの厚さを測定するために、その端部システムは、ブレーキがかけられていない時にだけ、コンデンサをチェックすることを知る必要がある。しかしながら、ブレーキがかけられている時には、感知コンデンサがショート状態である。この場合、比率Ｃ_SENS／Ｃ_REFは０になる。もし４つのすべてのブレーキシューが０を示さなければ、恐らく（０を示さない車輪上の）ブレーキが正確に働いていないことを示す。

ブレーキシステム全体を分析し、ブレーキシステムをより安全で、より信頼性が高く、より安価なものにして、かつ／または保守を容易にするように、システムを最適化する方法を決定するために、自動車メーカーがこれらのセンサからデータを集めるられことが想像される。自動車のコンピュータが、各ドライバーの座席位置などの事項を学習することができるならば、自動車が所有者の運転の癖を学習し、ドライバーの運転スタイルに基づいて、予報的に、ブレーキをかけることが適切である。さらに、ある車輪（恐らく路上の氷か水により低減された静止摩擦に影響を受ける車輪）に、自動車がブレーキをかけるべきでない時がある。道路状態次第で、最も安全なブレーキの適用を提供するために、静止摩擦制御システムまたはＡＢＳブレーキシステムに、これらのセンサが組み込まれる。ブレーキがかけられているか、かけられていないかの確認が、ＡＢＳブレーキシステムのための制御フィードバックループ内で実行される。このことは、凍結によりスライダが１側面で作用していない場合に特に重要である。

ドライバーが「ブレーキに足を載せているか」かどうかを把握することも可能である。これにより、当然ブレーキシューに対する不要な衝突を引き起こすので、ドライバーがブレーキに故意ではなく足を載せていることを自動車が無視するシステムを確立することができる。もちろん、システムはこの判断に非常に注意を払わなければならない。それにもかかわらず、このシステムはそのことを可能にすることができる。

基準コンデンサの配置は、さらに重要である。基準コンデンサも上述されるようにブレーキパッド内に組み込まれるのが理想的である。この方法では、温度および水分量などのパッドへの変化が自動的に解消される。しかし、基準コンデンサは、それが別のコンデンサとは異なって摩耗するように配置されなければならない。基準コンデンサはブレーキロータと平行であるのが望ましい。この方法では、基準コンデンサは、急には摩耗されず、摩耗されたとしてもごく僅かで、比率は線形のままである。

前述されたものと同じタイプのセンサを提供するために基準コンデンサが用いられる。ロータに最も近いコンデンサ極板も摩耗される位置までブレーキシューが摩耗されると、比率Ｃ_SENS／Ｃ_REFが不定になり、そのことはブレーキパッドの交換が必要であることを明確に示す。

このシステム内で実行可能ないくつかの構成がある。基準コンデンサ用の「浮動（floating）」極板としてブレーキドラムを用いることができる。これにより、基準コンデンサを非常に細くできる。

これらのセンサの主な利点の１つは、センサによって自動車の調整またはオイル交換中、迅速なブレーキ点検が可能になるということである。多くの自動車所有者が、オイル交換のためにサービス店に自動車を持ち込む。顧客がブレーキ点検を要求する場合、一般的にはタイヤを取り外さなければならない。これを終えるには、オイル交換を行うのに必要な時間に加えて、さらに２０分を必要とする。前記センサが適所にある場合、整備士は、ブレーキパッドの状態を測定するために自動車のコンピュータを用いることにより、非常に迅速なチェックを行うことができる。センサが、摩耗されるか、むらのある摩耗が生じている（それはブレーキシステムに関する別のより重大な問題を示す）ことを示す場合、整備士は、より有効な修理方法を知らされる。問題が報告されなければ、整備士は、視覚的な点検を行うために追加の２０分を浪費する必要はない。さらに、自動車のコンピュータと整備士の間のインタフェースによって、整備士は、ブレーキパッドにどの位の摩耗が生じたかをドライバーに通知することができる。本発明は、顧客が将来のブレーキ修理の計画を立てるのを効果的に支援する。

オイル交換をしている顧客のほとんどは、一般的には３０分を越えて待つこと、あるいは彼らの自動車が修理されることを望まないので（多くはオイル交換のために、昼食時間を利用する）、それが無料でも、顧客はブレーキ点検を待つのを望まない。本発明によって、顧客の待ち時間が長くなり過ぎないように、店は点検プロセスのスピードを上げることができる。多くの店がブレーキ点検を無料で提供するので、さらに本発明によって、店はそのような点検費用を削減することができる。点検は顧客にとっては無料かもしれないが、店には必ず費用がかかる。顧客は、最終的にはブレーキを修理する時に、この無料の点検費用を支払う。

前述のように、パッドが不均一に摩耗される場合には、システム内に他の箇所に問題があるかもしれない。スライドが破損されているかもしれないし、ブレーキ液が１つのブレーキまで達していないかもしれない。どのブレーキが充分に摩耗されていないか（あるいは過剰に摩耗されているか）を測定する迅速な方法を有することによって、ブレーキシステム全体に関する問題を分析することができる。

もしブレーキシステムがブレーキの適用に関する新しい（おそらく過去１時間位の運転の）情報を記憶すれば、この情報は事故を再現するのに有用である。ドライバーが事故の前にブレーキをかけたかどうかを正確に確認することができる。さらに、いつブレーキがかけられたか、自動車がどれくらい速く走行していたか、および衝突が起こった時刻に関する情報を比較することによって、いかに迅速にそれらが反応したかを示すことができる。本発明は、保険会社が事故の過失の明確な証拠を立証するのに役立ち、またドライバーが事故を回避するために推測できるすべてのことを実行したことを証明するのに役立つ。

本発明は好ましい実施例に関して説明されたが、当業者は、本発明の精神および範囲から逸脱しないで、形状および細部において変形できることを認識できるであろう。例えば、本発明の特徴は、ドラム型およびディスク型のブレーキシステムに等しく適用可能である。さらに、静電容量型センサを実際に製造することができるか、そうでなければ、材料の摩耗が生じるとともに、何らかの関連でキャパシタンスが変化するような方法で、摩耗される材料に組み込むことができるような応用法において、本発明の実施例を実行することができる。

本発明の実施例による電子ブレーキパッドセンサの斜視図である。 好ましくはドラムブレーキに用いられる本発明の実施例の概略図である。 好ましくはディスクブレーキに用いられる本発明の実施例の概略図である。

符号の説明

１０……ブレーキパッド
１２、１４……平行極板コンデンサ
１６……パッドの厚さ
１８、２０、２２、２４……極板

Claims (13)

1. 基礎部材と、
   実質的に非導電性の誘電性材料で構成されており、前記基礎部材に配置されたパッド部と、
   前記パッド部に配置され、前記パッド部の摩耗がそれらの間のキャパシタンスを変化させるように配列された第１の容量性極板の対とからなる車用のブレーキパッド。
2. 前記パッド部が、ドラムロータと接触するように適合された請求項１のブレーキパッド。
3. 前記パッド部が、ディスクロータと接触するように適合された請求項１のブレーキパッド。
4. 前記第１の容量性極板の対が、互いに平行である請求項１のブレーキパッド。
5. 前記第１の容量性極板の対が、摩耗の方向と平行である請求項１のブレーキパッド。
6. 前記第１の容量性極板の対が、互いに平行である請求項５のブレーキパッド。
7. さらに、前記パッド部内に配置された第２の容量性極板の対からなり、前記第２の容量性極板の対の間のキャパシタンスが前記パッド部の摩耗とともに変化しないように配列された請求項１のブレーキパッド。
8. 前記パッド部の摩耗が、前記第１の極板の対のキャパシタンスと前記第２の極板の対のキャパシタンスの関数である請求項７のブレーキパッド。
9. 前記関数が、第１の極板の対のキャパシタンスを前記第２の極板の対のキャパシタンスで割った値に関連づけられた関数である請求項８のブレーキパッド。
10. 前記極板の少なくとも１つとロータとの間の接触が、ブレーキパッドの作用を示す請求項１のブレーキパッド。
11. 一対の容量性極板の間のキャパシタンスを測定することを含み、
    前記一対の容量性極板が、摩耗されるブレーキパッドの一部分内に配置され、
    前記ブレーキパッドが摩耗するとともに前記一対の容量性極板の少なくとも１つが小さくなり、前記一対の容量性極板の間のキャパシタンスを変化させるような方法で車のブレーキパッド厚さを測定する方法。
12. 前記方法が車の電子制御装置によって行なわれる請求項１１の方法。
13. 前記方法が専門技術者によって行なわれる請求項１１の方法。

Images