JP2011031749A - 電動ブレーキ装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】電動ブレーキ装置において、ボールネジ機構の円滑な作動を妨げることなく、構造の簡素化を図る。
【解決手段】ブレーキペダルの操作によって入力ロッド15及び入力ピストン14を前進させ、制御装置11により、入力ピストン14の移動に応じて電動モータ9を駆動し、ボールネジ機構10を介してマスタシリンダ2のプライマリピストン8を推進する。これにより、液圧を発生させて各車輪のブレーキキャリパに供給する。このとき、入力ピストン14によって、液圧の一部を受圧して、制動時の液圧の反力の一部をブレーキペダルにフィードバックする。ボールネジ機構10のナット部材26は、薄肉としたロータ部37に電動モータ9のロータ鉄心22を圧入することにより、圧入による応力をボール溝26Aを有するナット部36に伝達し難くして、ボール溝26Aの高い寸法精度を維持する。
【選択図】図1

Description

本発明は、自動車のブレーキシステムに用いられる電動ブレーキ装置に関するものである。
自動車のブレーキシステムに用いられるブレーキ装置において、例えば特許文献1に記載されたもののように、電動モータを倍力源として利用する電動倍力装置が知られている。この電動倍力装置は、ブレーキペダルの操作等に基づく駆動指令に応じて、電動モータを駆動し、電動モータのロータの回転を回転-直動変換機構であるボールネジ機構により直線運動に変換して出力部材に伝達し、ブレーキ力を発生させるようになっている。
特開2008−302725号公報
上記特許文献1に記載された電動ブレーキ装置の一種である電動倍力装置では、電動モータのロータの内周部にボールネジ機構の回転部材であるナット部材を挿入し、前記ロータとナット部材とが一体に回転するように互いに固定している。この構造において、電動モータのロータとボールネジ機構のナット部材とを結合すると共に、前記ロータの外周側には、回転磁界を発生するステータが配置されている。このような構造は複雑化し易く、より簡素化することが望まれている。
本発明の目的は、電動モータのロータ内側に上記ボールネジ機構で代表される回転直動変換機構を配置した電動ブレーキ装置の簡素化に適した構造を提案することである。
以下に説明する実施の形態は上記目的および解決しようとする課題に止まらず、製品として望まれている課題を解決している。これらについては以下で説明する。
上記の課題を解決するために、本発明は、電動モータの回転を回転直動変換機構により直線運動に変換し、ブレーキ力を発生させる構成を備え、
前記回転直動機構は、前記電動モータのロータによって回転駆動されるナット部材と、前記ナット部材の内周部に配置され、前記ナット部材の回転によって直線運動するネジ軸とを備え、
前記ナット部材は、前記ネジ軸と噛合うナット部と、該ナット部から軸方向に沿って延びるロータ部とを有し、前記電動モータのロータを前記回転直動変換機構の前記ロータ部に配置した構造を備えることを特徴とする。
本発明によれば、簡素化に適した電動ブレーキ装置を提供できる。
本発明の一実施形態に係る電動倍力装置の縦断面図である。 図1に示す電動ブレーキ装置の要部の拡大図である。 電動モータの回転軸に垂直な断面の概念図を示す。 回転子の部分拡大図である。 回転子の他の実施形態を示す図である。
以下に説明する実施の形態は上記目的および解決しようとする課題に止まらず、製品として望まれている課題を多数解決している。これらの内幾つかについて次に説明する。以下の実施の形態によれば、ナット部材の位置に対して軸方向にずれた位置で電動モータの回転子を固定しているので、回転子の固定に伴う応力の影響を少なくできる。特にボールネジ機構を使用した回転直動変換機構を使用する場合に、応力による影響を受け易い問題があるが、上記構造により、影響を低く抑えることができる。
電動モータの回転子に磁石内蔵構造を使用しているので、ステータと回転子間の磁気抵抗を低減でき、効率の向上につながる。とくに、回転子に形成された磁石挿入孔により、磁石を固定するので、ステータ鉄心と回転子鉄心のギャップを小さくでき、磁気抵抗を低減できる。
回転子の磁極間に補助磁極を形成し、リラクタンストルクを利用する構造としているので、電源電圧の低下に対しても電動モータへの電流の供給を維持し易い特性となり、安全性をより向上できる。
回転子の磁極数を6極以上、特に実施例では8極としているので、d軸とq磁区の磁気回路を径方向のより外周側に形成できる。このため回転子鉄心の中心部に孔を形成しても効率の低下が少なく、回転子鉄心の中心部を他の目的に利用できる。また中心部を通るd軸とq磁区の磁束を低減できるので、回転子鉄心の中心部にボールネジ機構のロータや、シリンダ機構など積層されていない金属が配置されても、渦電流の発生が少なく、さらに渦電流による発熱も低減できる。
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図1に本実施形態に係る電動ブレーキ装置である電動倍力装置1の全体図を示し、図2にその要部の拡大図を示す。図1及び図2に示すように、電動倍力装置1は、自動車のエンジンルームR1と車室R2とを仕切る隔壁Wに一端部が固定され、他端部にタンデム型のマスタシリンダ2を結合したケース3を備えている。以下、便宜上、エンジンルームR1側を前側、車室R2側を後側として説明する。
ケース3は、筒状のケース本体4とケース本体4の後端部にボルト5によって取付られたリヤカバー6とから構成されている。ケース本体4の前端には段付の前壁4Aが一体に形成されており、前壁4Aにマスタシリンダ2が取付けられている。ケース3は、リヤカバー6に設けられたスタッドボルト7によって隔壁Wに取付けられ、リヤカバー6に一体に形成されて後方に突出する円筒部6Aが隔壁Wを貫通して車室R2側へ延びている。ケース3には、プライマリピストン8が組込まれたマスタシリンダ2の後端部が前方から挿入され、また、電動モータ9及び直動変換機構として動作するボールネジ機構10が収容され、更に、ケース3の上部には、電動モータ9を駆動するための制御装置11が取付けられている。
マスタシリンダ2は、タンデム型のマスタシリンダであって、プライマリピストン8及びセカンダリピストン(図示せず)を備え、これらの前進によって液圧ポート12A、12Bから2系統の液圧通路に液圧を供給し、また、適宜、上部に取付けられたリザーバ13からブレーキ液を補充する。そして、万一、一方の系統の液圧回路が失陥しても、他方の系統への液圧の供給を維持して、制動力を確保できるようになっている。
プライマリピストン8には、その中間壁に入力ピストン14が摺動可能かつ液密的に挿入されている。入力ピストン14の後端部には、リヤカバー6の円筒部6A及びプライマリピストン8の後部に挿入された入力ロッド15の先端部が連結され、入力ロッド15の後端側は、円筒部6Aから車室R2内へ延出され、その端部にブレーキペダル(図示せず)が連結される。プライマリピストン8の後端部には、フランジ状のバネ受16が取付けられ、プライマリピストン8は、マスタシリンダ2の後端部とバネ受16との間に介装された圧縮コイルばねである戻しバネ17によって後退方向に付勢されている。また、入力ピストン14は、プライマリピストン8の中間壁との間及びバネ受16との間にそれぞれ介装されたバネ18、19によって、図1に示す中立位置に弾性的に保持されている。
電動モータ9は、永久磁石埋め込み型同期モータであって、ケース本体4の前壁4Aの後側の段部にボルト20によって固定された複数のコイルを有するステータ21と、ステータ21の内周面に対向して配置された円筒状のロータ鉄心22と、ロータ鉄心22の内部に挿入された複数の永久磁石23とを含んでいる。
ボールネジ機構10は、軸受24、25によってケース3に回転可能に支持される回転部材である円筒状のナット部材26と、ナット部材26及びリヤカバー6の円筒部6A内に挿入された直動部材である円筒状のネジ軸27と、これらの互いの対向面に形成されたボール溝26A、27A間に装填された複数の転動体であるボールとを備えている。そして、ネジ軸27の後端部には軸方向に伸びるスリットが形成されており、このスリットにはリヤカバー6の円筒部6Aの後端のストッパ30が挿入されている。これにより、ネジ軸27は、軸方向に沿って移動可能で、かつ、軸回りに回転しないように支持される。ナット部材26の回転により、ボール溝26A、27Aに沿ってボールが転動することにより、ネジ軸27が軸方向に移動するようになっている。ナット部材26は、電動モータ9のロータ鉄心22が圧入され、これと一体に回転する。
ネジ軸27は、ケース本体4の前壁4A側との間に介装された圧縮テーパコイルバネである戻しバネ29によって後退方向に付勢され、リヤカバー6の円筒部6Aに設けられたストッパ30によって後退位置が規制されている。ネジ軸27内には、プライマリピストン8の後端部が挿入され、ネジ軸27の内周部に形成された段部31にバネ受16が当接してプライマリピストン8の後退位置が規制されている。これにより、プライマリピストン8は、ネジ軸27と共に前進し、また、段部31から離間して単独で前進することができる。
ケース4内には、ロータ鉄心22及びナット部材26の回転位置を検出するレゾルバ32が設けられている。レゾルバ32は、リヤカバー6にボルト33によって取付けられたレゾルバステータ34と、レゾルバステータ34の内周部に対向させてロータ部材26の外周部に取付けられたレゾルバロータ35とから構成されている。
次に、主に図2を参照して、ボールネジ機構10のナット部材26について更に詳細に説明する。
図2に示すように、ナット部材26は、ケース3内において、ケース本体4の前壁4Aの端部近傍からリヤカバー6の後壁の端部近傍にわたって軸方向に延びている。ナット部材26は、ボール溝26Aを有する後部側のナット部36と、ナット部36から軸方向に沿って前方に延びるロータ部37とからなり、ロータ部37にロータ鉄心22を圧入して固定する。ロータ鉄心22が圧入される部分は、端部と比較してわずかな段差が設けられており、この圧入部分までの挿入抵抗を低減している。また、ナット部36に隣接する段差部にはわずかな環状溝が形成されており、応力を緩和している。ロータ部37の肉厚tは、ナット部36の肉厚Tよりも薄肉として、ロータ鉄心22を圧入したとき、その嵌め合いによってロータ部37に生じる応力(歪み)がボール溝26Aを有するナット部36に伝達し難くなっている。ナット部材26は、ロータ部37の先端部がケース本体4の前側の前壁4Aに隣接して設けられた軸受24によって支持され、ナット部36の後端部がリヤカバー6の段部に設けられた軸受25によって支持されて、ケース3に対して回転可能に支持されている。ナット部36の外周部には、止輪38によってレゾルバロータ35が取付けられている。レゾルバロータ35は、圧入や接着などによって取付けてもよいが、その場合はナット部36ひいてはボール溝26Aに与える影響(例えば、圧入による応力)を考慮しておくことが望ましい。
なお、ナット部材26は、ロータ部37とナット部36との間に薄肉の部位を設け、その部分の断面積を小さくすることにより、その部分に応力を集中させて、ロータ部37に生じた応力をナット部36に伝達し難くしてもよい。また、ロータ部37の内周面は、戻しバネ29に沿ってテーパ状に形成してもよい。
制御装置11は、入力ロッド15の変位を検出する変位センサ(図示せず)、レゾルバ32、マスタシリンダ2の液圧を検出する液圧センサ39及びこれらを含む各種センサからの検出信号に基づいて電動モータ9の回転を制御するものである。
以上のように構成した本実施形態の作用について、次に説明する。
ブレーキペダルを操作して入力ロッド15によって入力ピストン14を前進させると、入力ロッド15の変位を変位センサによって検出し、制御装置11によって入力ロッド15の変位に基づいて電動モータ9の作動を制御し、ボールネジ機構10を介してプライマリピストン8を前進させて入力ロッド15の変位に追従させる。これにより、マスタシリンダ2に液圧が発生し、この液圧を液圧ポート12A、12Bから各車輪のブレーキキャリパに供給して制動力を発生させる。
このとき、マスタシリンダ2で発生した液圧の一部を入力ピストン14によって受圧し、その反力を入力ロッド15を介してブレーキペダルにフィードバックする。これにより、所定の倍力比をもって所望の制動力を発生させることができる。また、入力ピストン14に対するプライマリピストン8の追従位置を適宜調整して、バネ18、19のバネ力を入力ピストン14に作用させて、入力ロッド15に対する反力を加減することにより、倍力制御、ブレーキアシスト制御、車両安定性制御、車間制御、回生協調制御等の自動ブレーキ制御時に適したブレーキペダル反力を得ることができる。
ボールネジ機構10のナット部材26と電動モータ9のロータ鉄心22とを圧入によって結合したことにより、構造が簡素で部品点数が少なくてすむ。このとき、ロータ鉄心22が圧入されるロータ部37は、ボール溝26Aが形成されたナット部36から軸方向に離れており、また、ナット部36よりも薄肉となっているので、ロータ鉄心22の圧入によよって生じる応力(歪み)がナット部36に伝達され難くなり、ナット部36の歪みを抑制してボール溝26Aの高い寸法精度を維持することができる。
なお、ロータ部37がナット部36から軸方向に離れているという構成は、ロータ鉄心22を圧入以外の方法(例えば、接着)によりロータ部37に配置した場合であっても有用である。ロータ部37とナット部36が軸方向に離れていないと、次のような問題が生じることがあるからである。例えば、後述のように、ロータ鉄心22の挿入後に永久磁石23を磁化する工程を採用した場合は、磁化工程によりナット部36やボールが不必要に磁化されるおそれがある。また、ロータ鉄心22をロータ部37に接着する場合は、熱硬化タイプの接着剤を採用すると、加熱によりナット部36のグリースに影響を与えるおそれがある。
電動モータ9を高効率の永久磁石埋め込み型同期モータとしたことにより、消費電力を低減することができる。しかしながら、電動モータ9は、ロータ鉄心の表面に永久磁石を配置した同期モータ、あるいは、誘導モータ等の他の形式のモータとしてもよい。
次に、電動倍力装置1の組立工程について説明する。
ケース本体4に一方の軸受24及び電動モータ9のステータ21を取り付け、リヤカバー6に他方の軸受25及びレゾレバステータ34を取り付け、また、ナット部材26、ネジ軸27及びボールをアセンブリしたボールネジ機構10のナット部材26にロータ鉄心22及びレゾルバロータ35を取付けておく。そして、これらのケース本体4に、ボールネジ機構10を組付け、リヤカバー6を結合し、更に、制御装置11を取付けて、ステータ21及びレゾルバステータ34と制御装置11の制御基板とをバスバー(図示せず)等を用いて結線する。
この状態で、制御装置11に通電することにより、電動モータ9を作動させて、ボールネジ機構10を駆動し、また、レゾルバ32を作動させることができるので、これらの作動状態を検査することが可能になる。このとき、ナット部材26のロータ部37の内周面に、軸方向に延びるキー溝のような凹凸部を形成しておくことにより、この凹凸部に検査装置の検出部を嵌合させることで、ナット部材26の回転運動(トルクや速度など)を容易に測定することができ、電動モータ9の作動を検査することができる。
そして、プライマリピストン8、入力ピストン14及び入力ロッド15等が組込まれたケース3にマスタシリンダ2を前方から組付ける。このようにして、電動倍力装置を組立てることができる。
図3は電動モータ9を回転軸に対して垂直な面による断面の概念図である。ステータ21のティース42には固定子巻線44が集中巻方式によって巻回されている。またステータ21の固定子鉄心は、渦電流を減らす目的で、回転軸に沿った方向に積層された電磁鋼板によって作られている。ステータ21のティース42の内側には、エアギャップを介して回転子52がナット部材26のロータ部37に固定されている。固定方法としては、ナット部材26のロータ部37に回転子52を圧入する方法や、ナット部材26のロータ部37と回転子52との間にキーを挿入する方法などがある。この実施の形態では、ナット部材26のロータ部37の外周側に回転子52を圧入することにより固定している。
回転子52は回転子鉄心22と前記回転子鉄心22の内部に挿入された永久磁石23とを有している。前記回転子鉄心22は渦電流を低減するために回転軸に沿った方向に積層された磁性鋼板によって構成されている。積層された磁性鋼板からなる回転子鉄心22は周方向において等間隔にしかも回転軸に沿った方向に伸びる磁石挿入孔が形成されている。この磁石挿入孔に永久磁石23が挿入されている。実際に製造工程では、磁化されていないネオジュウムあるいはフェライトなどの磁性材料から成る磁性材を挿入し、挿入後外部から強い磁束を前記磁性材に流すことにより磁化し、永久磁石を作る。挿入前に磁化すると強力な磁石であるため、回転子鉄心22との間に強力な吸引力が働き生産性が低下する。また鉄粉や磁性粉を引き寄せる恐れがあり、生産中に上記異物が付く恐れがある。永久磁石の磁化方向は、例えばある永久磁石23が、固定子側がN極で回転子の中心側がS極となるように磁化されると、隣の永久磁石23は逆方向、すなわち固定子側がS極で回転子の中心側がN極となるように、磁極毎に逆方向に磁化される。
各永久磁石23は回転子52の磁極を形成し、各永久磁石23で発生するd軸の磁束が、永久磁石23と回転子鉄心22のティース42側表面との間に形成される磁極片56からステータ21に導かれ、固定子巻線44が作る回転磁界に基づいて回転トルク(以下磁石トルクと記す)を発生する。一方固定子巻線44が作る回転磁界により回転子鉄心22の各磁極と次の磁極との間に形成された補助磁極54にq軸の磁束が通る。回転磁界による前記補助磁極54の磁気回路のリラクタンスと永久磁石を通る磁気回路のリラクタンスとの差に基づき回転トルク(以下リラクタンストルクと記す)が発生する。電動モータ9の発生トルクは上記磁石トルクと上記リラクタンストルクの合計となる。
リラクタンストルクを大きくすることにより、高速回転時のトルクの低下を少なくできる。またリラクタンストルクを大きくすることにより、永久磁石23の量を減らすことができ、貴重な磁石材料の使用量を少なくできるので、原価低減につながる。供給される電力に基づく電動モータ9の発生トルクは上記磁石トルクと上記リラクタンストルクの合計となるので、上記磁石トルクの割合を下げると、永久磁石23の量すなわち永久磁石23が発生する磁束量を少なくできる。永久磁石23が発生する磁束は内部誘起電圧を発生するため、電動モータ9の回転速度が増加するにつれ、内部誘起電圧が増大する。一方電動モータ9に流れ込む電流は、電源電圧と前記内部誘起電圧との差の電圧に基づく。従って電動モータ9の回転速度が増加するにつれ、電動モータ9に供給できる電流が減少し、高速回転時の発生トルクが減少する。本実施の形態では補助磁極54を磁極間に形成し、リラクタンストルクを利用しているので、高速回転時の内部誘起電圧を抑えることができ、電動モータ9への電流の供給を増やすことができる。
本実施の形態では、車両に搭載された14ボルト系などの低電圧電源として動作するバッテリの電力で制御装置11が動作する。上記低電圧電源は他の電気負荷、例えばヘッドライト、あるいはエアコンディショナの駆動モータなどにも電力を供給しているので、他の電気負荷の影響を受け、電源電圧が低下する可能性がある。このような状態においても制動力の制御を高い信頼性を持って行うためには、電動モータ9の内部誘起電圧の上昇を抑えることが望ましい。補助磁極54を形成し、リラクタンストルクを発生する構造とすることで、上記課題に対応できる。
図4は、図3のN極の磁極とS極の磁極およびこれらの磁極間の補助磁極を部分拡大した部分拡大図である。固定子側がN極であるN極の永久磁石23からd軸磁束が磁極片56を介してステータ21に供給され、一方ステータ21から磁極片56を介してS極の永久磁石23へd軸磁束が供給される。この磁束により上記磁石トルクが発生する。またステータ21から補助磁極54にq軸磁束が供給され、他の補助磁極54からq軸磁束がステータ21に戻る。このq軸磁束に基づいてリラクタンストルクが発生する。各永久磁石23の端部に漏れ磁束が生じるのを丸で示したブリッジ部58で低減する。磁石端部と回転子鉄心22のステータ21側端面との間の磁気通路の断面積を小さくすることにより、飽和状態を作り、このブリッジ部を通る磁束を絞り込む。この部分を上述のブリッジ部と呼ぶ。このブリッジ部58は磁極片56と補助磁極54との間に設けられ、磁極片56と補助磁極54との間の漏れ磁束を低減する。この構造により、電動モータ9の効率向上が図られる。
本実施の形態では回転子52の磁極数を6以上としている。このように磁極数を増やすことにより、永久磁石23の中心側の回転子鉄心22において、上記d軸やq軸の磁束が通る磁気回路を永久磁石23の近くに形成できる。すなわち、回転子鉄心22の中心近くではなく、径方向における永久磁石23の近くに形成できる。このため回転子鉄心22の中心側の空隙を大きくすることによる効率の低下を低減できる。永久磁石23の中心側の回転子鉄心22からさらにロータ部37に磁束が入り込むと、ロータ部37は積層構造ではないので渦電流が発生し、効率の低下や温度上昇が起こるが、上述のように回転子52の磁極数を6以上としているので、永久磁石23の中心側を通る磁束の磁気回路が永久磁石23に近いところに形成され、ロータ部37を通る磁束を少なくできる。ただし、磁極数を増加させると構造が複雑となり、生産性が低下する。この点から16極以下が望ましい。
図5は他の実施の形態である。図3や図4との違いは、磁石挿入孔の両側に磁気空隙62を形成したことである。磁極を形成するための永久磁石23と補助磁極54との間に磁気空隙62を形成することで、コギングトルクを低減でき、回転が滑らかになる。さらに磁気空隙62と回転子鉄心22のステータ21側表面との間に磁気ブリッジ部58を形成でき、漏れ磁束の低減につながり、効率向上につながる。図5に示す構造において、図3と図4で説明した効果が同様に期待できる。極数が6極以上の8極であるので、上記d軸やq軸の磁束が通る磁気回路は永久磁石23の中心側の面からあまり離れない位置に形成されるので、回転子鉄心22の中心側の孔を大きくできる。
なお、本実施形態では、電動倍力装置を用いて本発明の技術的意義を説明したが、本発明は電動倍力装置への適用に限られるものではなく、他の電動ブレーキ装置、例えば電動モータによって、摩擦パッドをディスクに押し付けるような電動ディスクブレーキにも適用可能である。
1 電動倍力装置、2 マスタシリンダ、8 プライマリピストン(ピストン)、9 電動モータ、10 ボールネジ機構、22 ロータ鉄心、26 ナット部材、27 ネジ軸、36 ナット部、37 ロータ部

Claims (4)

  1. 電動モータの回転を回転直動変換機構により直線運動に変換し、ブレーキ力を発生させる構成を備え、
    前記回転直動変換機構は、前記電動モータのロータによって回転駆動されるナット部材と、前記ナット部材の内周部に配置され、前記ナット部材の回転によって直線運動するネジ軸とを備え、
    前記ナット部材は、前記ネジ軸と噛合うナット部と、該ナット部から軸方向に沿って延びるロータ部とを有し、前記電動モータのロータを前記回転直動変換機構の前記ロータ部に配置した構造を備えることを特徴とする電動ブレーキ装置。
  2. 駆動指令に応じて電動モータを駆動し、該電動モータの回転をボールネジ機構により直線運動に変換し、ブレーキ力を発生させる電動ブレーキ装置において、
    前記ボールネジ機構は、前記電動モータのロータ鉄心によって回転駆動される円筒状のナット部材と、前記ナット部材の内周部に転動体を介して噛合い、前記ナット部材の回転によって直線運動するネジ軸とを備え、
    前記ナット部材は、前記ネジ軸と噛合うナット部と、該ナット部から軸方向に沿って延びるロータ部とを有し、前記ロータ鉄心と前記ロータ部とは圧入によって結合されていることを特徴とする電動ブレーキ装置。
  3. 前記ロータ部は、前記ナット部よりも薄肉であることを特徴とする請求項1又は2に記載の電動ブレーキ装置。
  4. 前記電動モータは、永久磁石埋め込み型同期モータであることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の電動ブレーキ装置。
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