JP2011241851A - 電動式直動アクチュエータおよび電動式ブレーキ装置 - Google Patents

電動式直動アクチュエータおよび電動式ブレーキ装置 Download PDF

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Abstract

【課題】電動式直動アクチュエータを組み込んだ電動式ブレーキ装置で、所望の制動力が精度よく得られるようにすることである。
【解決手段】電動モータ２から回転を伝達される回転軸４の回転運動を出力部材としての外輪部材５の直線運動に変換する運動変換機構の内部に、被駆動物を直線駆動する外輪部材５の押圧力を検出する荷重センサ３０を設けることにより、電動式ブレーキ装置に使用されるときにブレーキ装置の被駆動物による制動力を直接検知できるようにし、所望の制動力が精度よく得られるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動モータの回転運動を直線運動に変換して被駆動物を直線駆動する電動式直動アクチュエータと、電動式直動アクチュエータを用いてブレーキ部材を被制動部材に押圧する電動式ブレーキ装置に関する。
電動モータの回転運動を直線運動に変換して被駆動物を直線駆動する電動式直動アクチュエータには、電動モータのロータ軸またはロータ軸から回転を伝達される回転部材の回転運動を、滑りねじ機構、ボールねじ機構、ボールランプ機構等の運動変換機構によって、被駆動物を直線駆動する出力部材の直線運動に変換するものがある。これらの電動式直動アクチュエータは、小容量の電動モータで大きな直線駆動力が得られるように、遊星歯車減速機構等の歯車減速機構を組み込んだものが多い（例えば、特許文献１参照）。
本発明者らは、別途の減速機構を組み込むことなく大きな直線駆動力を確保でき、直動ストロークが比較的小さい電動式ブレーキ装置にも好適な電動式直動アクチュエータとして、電動モータのロータ軸またはロータ軸から回転を伝達される回転軸のいずれかの回転軸部材と、回転軸部材の外径側でハウジングの内径面に内嵌された外輪部材との間に、キャリヤに回転自在に支持された複数の遊星ローラを介在させて、これらの遊星ローラが回転軸部材の回転に伴ってその周りを自転しながら公転するようにし、外輪部材の内径面に螺旋凸条を設け、遊星ローラの外径面に、螺旋凸条と同一ピッチで螺旋凸条が嵌まり込む周方向溝、または螺旋凸条と同一ピッチでリード角が異なり螺旋凸条が嵌まり込む螺旋溝を設けて、外輪部材とキャリヤとが回転の軸線方向へ相対移動するようにし、回転軸部材の回転運動をキャリヤの直線運動に変換して、キャリヤを被駆動物を直線駆動する出力部材とした機構を先に開発している（例えば、特許文献２、３参照）。また、外輪部材を被駆動物を直線駆動する出力部材とした機構も提案している（特願２００８−２６０５４７）。
一方、車両用ブレーキ装置としては油圧式のものが多く採用されてきたが、近年、ＡＢＳ(Antilock Brake System)等の高度なブレーキ制御の導入に伴い、これらの制御を複雑な油圧回路なしに行うことができる電動式ブレーキ装置が注目されている。電動式ブレーキ装置は、ブレーキペダルの踏み込み信号等で電動モータを作動させ、上述したような電動式直動アクチュエータをキャリパボディに組み込んでブレーキ部材を被制動部材に押圧するものである（例えば、特許文献４参照）。
従来、このような電動式直動アクチュエータを組み込んだ電動式ブレーキ装置では、制動力を制御する手段として、電動モータの電流値でモータトルクを検知し、必要な制動力に対して予め設定された電流を電動モータに通電する方法や、電動モータの回転位置を検知し、必要な制動力に対して予め設定された回転量だけ電動モータを回転させる方法が採用されている。
特開平６−３２７１９０号公報 特開２００７−３２７１７号公報 特開２００７−３７３０５号公報 特開２００３−３４３６２０号公報
上述した予め設定された電流値や回転量を電動モータに与えて必要な制動力を発生させる従来の電動式ブレーキ装置は、電動式直動アクチュエータの部品の精度誤差や運動変換機構におけるすべり等によって、直線運動する出力部材の移動量に誤差が生じ、所望の制動力が得られない問題がある。
そこで、本発明の課題は、電動式直動アクチュエータを組み込んだ電動式ブレーキ装置で、所望の制動力が精度よく得られるようにすることである。
上記の課題を解決するために、本発明は、電動モータのロータ軸またはロータ軸から回転を伝達される回転部材の回転運動を、被駆動物を直線駆動する出力部材の直線運動に変換する運動変換機構を備え、前記出力部材の前面側で被駆動物を押圧する電動式直動アクチュエータにおいて、前記運動変換機構の内部に、前記被駆動物を直線駆動する出力部材の押圧力を検出する荷重センサを設けた構成を採用した。
すなわち、運動変換機構の内部に、被駆動物を直線駆動する出力部材の押圧力を検出する荷重センサを設けることにより、電動式ブレーキ装置に使用されるときにブレーキ装置の被駆動物による制動力を直接検知できるようにし、所望の制動力が精度よく得られるようにした。
前記荷重センサを断熱材で保護することにより、環境温度の上昇に伴う熱影響による荷重センサの故障や検出精度の低下を防止することができる。
前記断熱材を、前記荷重センサが前記運動変換機構の部品と接触する部位に介在させることにより、接触する部品からの熱伝導による温度上昇を抑制することができる。この断熱材としては、耐熱性を有し、熱伝導率が低いセラミックスや樹脂等を用いることができる。
前記荷重センサとしては、ロードセル、圧電センサ、半導体荷重センサまたは磁わい式荷重センサのいずれかを用いることができる。圧電センサは圧電素子を組み込んだもの、半導体荷重センサは半導体ひずみゲージを組み込んだもの、磁わい式荷重センサは、透磁率の高い弾性体に荷重を加えると、応力で透磁性が変化する原理を利用したものである。
前記運動変換機構を、前記ロータ軸またはロータ軸から回転を伝達される前記回転部材としての回転軸のいずれかの回転軸部材と、この回転軸部材の外径側でハウジングの内径面に内嵌された外輪部材との間に、キャリヤに回転自在に支持された複数の遊星ローラを介在させて、これらの遊星ローラが前記回転軸部材の回転に伴ってその周りを自転しながら公転するようにし、前記外輪部材の内径面に螺旋凸条を設け、前記遊星ローラの外径面に、螺旋凸条と同一ピッチで螺旋凸条が嵌まり込む周方向溝、または螺旋凸条と同一ピッチでリード角が異なり螺旋凸条が嵌まり込む螺旋溝を設けて、前記外輪部材と前記キャリヤとを軸方向に相対移動させ、前記回転軸部材の回転運動を、前記被駆動物を直線駆動する出力部材としての前記外輪部材または前記キャリヤの直線運動に変換するものとすることにより、別途の減速機構を組み込むことなく大きな直線駆動力を確保することができる。
前記キャリヤの軸方向への移動を規制し、前記外輪部材を回り止めして前記ハウジングにスライド可能に内嵌し、前記外輪部材を被駆動物を直線駆動する出力部材とすることにより、出力部材としての外輪部材をハウジングの内径面で軸方向に長い寸法で案内可能とし、出力部材に横向きのモーメントが作用しても、出力部材の直線運動をスムーズに案内することができる。
前記荷重センサを、前記出力部材としての外輪部材が被駆動物を押圧する前面側と反対側の後面側に配置することにより、荷重センサが配置される環境温度を低くすることができる。
前記荷重センサは、前記外輪部材の押圧力の反力を受ける前記キャリヤの後面側を軸方向に支持するスラスト軸受と、このスラスト軸受の後面側を支持するバックアップ部材との間に配置することができる。
前記荷重センサは、前記外輪部材の押圧力の反力を受ける前記キャリヤの後面側をスラスト軸受を介して支持するバックアップ部材と、このバックアップ部材の後面側への移動を規制するストッパとの間に配置することもできる。
また、本発明は、電動モータの回転運動を出力部材の直線運動に変換してブレーキ部材を直線駆動する電動式直動アクチュエータを備え、前記直線駆動されるブレーキ部材を被制動部材に押圧する電動式ブレーキ装置において、前記電動式直動アクチュエータに上述したいずれかの電動式直動アクチュエータを用いた構成を採用することにより、ブレーキの制動力を直接検知できるようにし、所望の制動力が精度よく得られるようにした。
本発明の電動式直動アクチュエータは、運動変換機構の内部に、被駆動物を直線駆動する出力部材の押圧力を検出する荷重センサを設けたので、電動式ブレーキ装置に使用されるときにブレーキ装置の被駆動物による制動力を直接検知して、所望の制動力が精度よく得られるようにすることができる。
また、本発明の電動式ブレーキ装置は、電動式直動アクチュエータに上述したいずれかの電動式直動アクチュエータを用いたので、所望の制動力を精度よく得ることができる。
電動式直動アクチュエータの実施形態を示す縦断面図 図１のII−II線に沿った断面図 図１のIII−III線に沿った断面図 （ａ）、（ｂ）は、それぞれ図１の外輪部材の螺旋凸条と遊星ローラの螺旋溝を示す正面図 （ａ）は図１のロードセルの配置状態を拡大して示す断面図、（ｂ）は（ａ）のロードセルの配置状態の変形例を示す断面図 図１の電動式直動アクチュエータを採用した電動式ブレーキ装置を示す縦断面図 図６の電動式ブレーキ装置に温度測定試験用のダミーディスクを組み込んだ状態を示す縦断面図 図７の状態で行った温度測定試験の結果を示すグラフ
以下、図面に基づき、本発明の実施形態を説明する。この電動式直動アクチュエータは、図１乃至図３に示すように、ハウジング１の円筒部１ａの一端側に片側へ張り出すフランジ１ｂが設けられ、このフランジ１ｂに電動モータ２が円筒部１ａと平行に取り付けられている。電動モータ２のロータ軸２ａの回転は、歯車３ａ、３ｂ、３ｃによって円筒部１ａの中心に配設された回転軸４に伝達され、円筒部１ａの内径面に内嵌された外輪部材５と回転軸４との間に介在する４個の遊星ローラ６が、キャリヤ７に回転自在に支持されて、回転軸４の回転に伴ってその周りを自転しながら公転し、後述する外輪部材５の螺旋凸条５ａと遊星ローラ６の螺旋溝６ａとの係合によって、遊星ローラ６を支持するキャリヤ７と外輪部材５とが軸線方向へ相対移動する運動変換機構を備えている。この実施形態では、キャリヤ７の軸方向移動が規制され、直線運動する外輪部材５が出力部材として被駆動物を直線駆動し、その前面側で被駆動物を押圧するようになっている。
前記ハウジング１のフランジ１ｂを設けた側には蓋８が取り付けられ、蓋８で覆われた空間に、歯車３ａ、３ｂ、３ｃが軸方向同一断面内で噛み合うように配設されている。また、歯車３ａはロータ軸２ａに、歯車３ｃは回転軸４に取り付けられ、これらと噛み合う中間歯車３ｂは、フランジ１ｂと蓋８に差し渡された軸ピン９に玉軸受１０で支持されている。
前記回転軸４にロータ軸２ａからの回転を伝達する歯車３ｃと、回転軸４に転接する遊星ローラ６との間には、回転軸４を支持するための軸受固定部材１１が、ハウジング１の円筒部１ａの内径面に止め輪１２で固定されている。軸受固定部材１１は、円筒部１ａの内径面に固定された円環部１１ａと、その内径側で遊星ローラ６側へ張り出す円筒部１１ｂとからなり、円環部１１ａと円筒部１１ｂの内径面に、回転軸４を回転自在に支持する２つのアンギュラ玉軸受１３ａ、１３ｂが、互いに背面を向けるように軸方向で離間されて取り付けられている。
前記キャリヤ７は、回転軸４にそれぞれすべり軸受１４ａ、１４ｂでスライド可能かつ相対回転可能に外嵌されたキャリヤ本体７ａおよび支持板７ｂと、離間したキャリヤ本体７ａと支持板７ｂに両端部を支持され、遊星ローラ６を回転自在に支持する支持ピン７ｃと、支持板７ｂをキャリヤ本体７ａに位相合わせして連結する複数の連結棒７ｄとからなり、各連結棒７ｄの両端部はボルト７ｅでキャリヤ本体７ａと支持板７ｂに連結されている。各支持ピン７ｃは、その両端側をキャリヤ本体７ａと支持板７ｂとに設けられた半径方向の長孔１５に、円周方向への移動を規制され、半径方向への移動を許容されて取り付けられている。
前記各支持ピン７ｃの両端部の外径面には溝１６が設けられ、円周方向の一部を切り欠いたばね鋼で形成された縮径リングばね１７が、各溝１６に嵌め込まれて、各支持ピン７ｃを包絡するように巻回されて装着されている。したがって、各支持ピン７ｃに回転自在に支持された各遊星ローラ６が回転軸４の外径面に押圧付勢され、回転軸４の回転トルクが安定して各遊星ローラ６に伝達される。
前記各遊星ローラ６は、内径面に装着された針状ころ軸受１８でキャリヤ７の支持ピン７ｃに回転自在に支持され、その自転をスラストころ軸受１９でキャリヤ本体７ａに支持されている。また、隣接する各遊星ローラ６間には、両側の遊星ローラ６の外径面に摺接してグリースを塗布する扇形状の潤滑剤塗布部材２０が、キャリヤ７の連結棒７ｄと外輪部材５の内径面との間に保持されている。
前記キャリヤ７のキャリヤ本体７ａは、サポート部材７ｆを介してスラストころ軸受２１で、バックアップ部材としての軸受固定部材１１の円環部１１ａに回転自在に支持されている。また、遊星ローラ６に対して反対側の支持板７ｂは、すべり軸受２２を介して止め輪２３で回転軸４に抜け止めされており、キャリヤ７の軸方向への移動が規制されている。
前記出力部材としての外輪部材５は、ハウジング１の円筒部１ａにスライド可能に内嵌され、被駆動物に連結されて回り止めするキー溝２４が前端面に設けられている。また、外輪部材５の外径側は、円筒部１ａとの間を環状のシール部材２５でシールされ、外輪部材５の内径側は、キャリヤ７の支持板７ｂに内嵌された回転軸４の端を覆うように、膜状のシール部材２６でシールされている。
図４（ａ）、（ｂ）に示すように、前記外輪部材５の内径面には２条の螺旋凸条５ａが設けられ、遊星ローラ６の外径面には、螺旋凸条５ａが嵌まり込み、螺旋凸条５ａと同一ピッチでリード角の異なる１条の螺旋溝６ａが設けられている。これらの螺旋凸条５ａと螺旋溝６ａの係合によって、回転軸４の周りを自転しながら公転する遊星ローラ６が、螺旋凸条５ａと螺旋溝６ａとのリード角の差で、外輪部材５と軸方向へ相対移動する。なお、外輪部材５の螺旋凸条５ａを２条の多条螺旋としたのは、遊星ローラ６の螺旋溝６ａとのリード角の差の設定自由度を大きくするためであり、螺旋凸条５ａは１条のものとしてもよい。また、遊星ローラ６の螺旋溝６ａは、螺旋凸条５ａと同一ピッチの周方向溝とすることもできる。
図５（ａ）に示すように、前記キャリヤ７の後面側のサポート部材７ｆを軸方向に支持するスラストころ軸受２１と、その後面側を支持するバックアップ部材としての軸受固定部材１１との間には、出力部材としての外輪部材５が被駆動物を押圧する押圧力を検出する荷重センサとしてのロードセル３０が配置されている。ロードセル３０は両側のスラストころ軸受２１と軸受固定部材１１との間に断熱部材３１を介在させて配置されている。したがって、後述する電動式ブレーキ装置に組み込まれたときに、被駆動部材としてのブレーキパッド５３がディスクロータ５２を押圧する力を直接検知して、所望の制動力を精度よく得ることができる。
図５（ｂ）は、前記ロードセル３０の配置状態の変形例を示す。この変形例では、ロードセル３０がバックアップ部材としての軸受固定部材１１と、この軸受固定部材１１の後面側への移動を規制するストッパとしての止め輪１２との間に、それぞれ断熱部材３１を介在させて配置されている。
図６は、上述した電動式直動アクチュエータを採用した電動式ブレーキ装置を示す。この電動式ブレーキ装置は、キャリパボディ５１の内部で被制動部材としてのディスクロータ５２の両側に、ブレーキ部材としてのブレーキパッド５３を対向配置したディスクブレーキであり、キャリパボディ５１に電動式直動アクチュエータのハウジング１が固定され、出力部材としての外輪部材５が前方へ直線運動するときに、被駆動物としてのブレーキパッド５３をディスクロータ５２に押圧するように直線駆動する。なお、この図では、電動式直動アクチュエータが図１で示した断面と直交する断面で示されている。
図７に示すように、図６に示した電動式ブレーキ装置のキャリパボディ５１に、ヒータ５４を組み込んだダミーディスク５５を取り付け、ダミーディスク５５をヒータ５４で昇温したときの各部での温度の推移を測定する温度測定試験を行った。温度測定は、図７中のＡ点（ダミーディスク５４の表面）、Ｂ点（キャリパボディ５１）、Ｃ点（外輪部材５の前端面）、Ｄ点（キャリヤ７の支持板７ｂの後面）、Ｅ点（軸受固定部材１１の後面）の５箇所で行い、ダミーディスク５５を３００℃まで昇温して、１時間保持した。
図８は、上記温度測定試験の結果を示す。ダミーディスク５５の温度上昇に伴って、キャリパボディ５１のＢ点は急速に温度上昇し、短時間で２００℃を越えている。これに対して、運動変換機構のＣ〜Ｅの３点における温度上昇は比較的緩やかで、１時間経過しても２００℃には達していない。特に、ダミーディスク５５から最も離れた後面側の軸受固定部材１１のＥ点は、温度上昇が最も少なく、１時間経過しても１５０℃程度である。したがって、図５（ａ）、（ｂ）に示したロードセル３０の配置位置では、断熱部材３１を介在させることにより、ロードセル３０を熱影響から十分に保護することができる。
上述した実施形態では、荷重センサをロードセルとしたが、荷重センサは圧電センサ、半導体荷重センサ、磁わい式荷重センサ等とすることもできる。また、荷重センサの配置位置は、実施形態と変形例の箇所に限定されることはなく、運動変換機構の内部の他の箇所に配置することもできる。
上述した実施形態では、電動モータの回転運動を直線運動に変換する運動変換機構を、電動モータから回転を伝達される回転軸と外輪部材との間に遊星ローラを介在させ、回転軸の回転運動を外輪部材の直線運動に変換するものとしたが、キャリヤの直線運動に変換するものとすることもでき、運動変換機構は、滑りねじ機構、ボールねじ機構、ボールランプ機構等を用いたものとすることもできる。
上述した実施形態では、外輪部材の内径面の螺旋凸条を一体に形成したが、外輪部材の内径面に螺旋溝を設け、この螺旋溝に嵌め込まれた別体の条部材で螺旋凸条を形成することもできる。
１ ハウジング
１ａ 円筒部
１ｂ フランジ
２ 電動モータ
２ａ ロータ軸
３ａ、３ｂ、３ｃ 歯車
４ 回転軸
５ 外輪部材
５ａ 螺旋凸条
６ 遊星ローラ
６ａ 螺旋溝
７ キャリヤ
７ａ キャリヤ本体
７ｂ 支持板
７ｃ 支持ピン
７ｄ 連結棒
７ｅ ボルト
７ｆ サポート部材
８ 蓋
９ 軸ピン
１０ 玉軸受
１１ 軸受固定部材
１１ａ 円環部
１１ｂ 円筒部
１２ 止め輪
１３ａ、１３ｂ アンギュラ玉軸受
１４ａ、１４ｂ すべり軸受
１５ 長孔
１６ 溝
１７ 縮径リングばね
１８ 針状ころ軸受
１９ スラストころ軸受
２０ 潤滑剤塗布部材
２１ スラストころ軸受
２２ すべり軸受
２３ 止め輪
２４ キー溝
２５、２６ シール部材
３０ ロードセル
３１ 断熱部材
５１ キャリパボディ
５２ ディスクロータ
５３ ブレーキパッド
５４ ヒータ
５５ ダミーディスク

Claims (10)

  1. 電動モータのロータ軸またはロータ軸から回転を伝達される回転部材の回転運動を、被駆動物を直線駆動する出力部材の直線運動に変換する運動変換機構を備え、前記出力部材の前面側で被駆動物を押圧する電動式直動アクチュエータにおいて、前記運動変換機構の内部に、前記被駆動物を直線駆動する出力部材の押圧力を検出する荷重センサを設けたことを特徴とする電動式直動アクチュエータ。
  2. 前記荷重センサを断熱材で保護した請求項１に記載の電動式直動アクチュエータ。
  3. 前記断熱材を、前記荷重センサが前記運動変換機構の部品と接触する部位に介在させた請求項２に記載の電動式直動アクチュエータ。
  4. 前記荷重センサを、ロードセル、圧電センサ、半導体荷重センサまたは磁わい式荷重センサのいずれかとした請求項１乃至３のいずれかに記載の電動式直動アクチュエータ。
  5. 前記運動変換機構を、前記ロータ軸またはロータ軸から回転を伝達される前記回転部材としての回転軸のいずれかの回転軸部材と、この回転軸部材の外径側でハウジングの内径面に内嵌された外輪部材との間に、キャリヤに回転自在に支持された複数の遊星ローラを介在させて、これらの遊星ローラが前記回転軸部材の回転に伴ってその周りを自転しながら公転するようにし、前記外輪部材の内径面に螺旋凸条を設け、前記遊星ローラの外径面に、螺旋凸条と同一ピッチで螺旋凸条が嵌まり込む周方向溝、または螺旋凸条と同一ピッチでリード角が異なり螺旋凸条が嵌まり込む螺旋溝を設けて、前記外輪部材と前記キャリヤとを軸方向に相対移動させ、前記回転軸部材の回転運動を、前記被駆動物を直線駆動する出力部材としての前記外輪部材または前記キャリヤの直線運動に変換するものとした請求項１乃至４のいずれかに記載の電動式直動アクチュエータ。
  6. 前記キャリヤの軸方向への移動を規制し、前記外輪部材を回り止めして前記ハウジングにスライド可能に内嵌し、前記外輪部材を被駆動物を直線駆動する出力部材とした請求項５に記載の電動式直動アクチュエータ。
  7. 前記荷重センサを、前記出力部材としての外輪部材が被駆動物を押圧する前面側と反対側の後面側に配置した請求項６に記載の電動式直動アクチュエータ。
  8. 前記荷重センサを、前記外輪部材の押圧力の反力を受ける前記キャリヤの後面側を軸方向に支持するスラスト軸受と、このスラスト軸受の後面側を支持するバックアップ部材との間に配置した請求項７に記載の電動式直動アクチュエータ。
  9. 前記荷重センサを、前記外輪部材の押圧力の反力を受ける前記キャリヤの後面側をスラスト軸受を介して支持するバックアップ部材と、このバックアップ部材の後面側への移動を規制するストッパとの間に配置した請求項７に記載の電動式直動アクチュエータ。
  10. 電動モータの回転運動を出力部材の直線運動に変換してブレーキ部材を直線駆動する電動式直動アクチュエータを備え、前記直線駆動されるブレーキ部材を被制動部材に押圧する電動式ブレーキ装置において、前記電動式直動アクチュエータに請求項１乃至９のいずれかに記載の電動式直動アクチュエータを用いたことを特徴とする電動式ブレーキ装置。
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