JP2023146281A - 荷重センサおよびそれを備えた電動ブレーキ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で十分な検出精度が得られる荷重センサ等を提供する。
【解決手段】本発明は、単一のセンサ部材１と、変位センサ２と、センサターゲット３とを備えた荷重センサであって、センサ部材１が、荷重の印加方向Ｆと平行なセンサ部材１の中心軸Ｃに沿う縦断面において、中心軸Ｃと平行な前後方向および中心軸Ｃと垂直な前後方向の４方向のうち、３方向のすべておよび１方向の少なくとも一部をセンサ部材１に囲まれた空間Ｓを有する。
【選択図】図１

Description

この発明は、変位センサを用いた荷重センサおよびそれを備えた電動ブレーキ装置に関する。

従来、電動ブレーキ装置の制動力の大きさを制御するために用いられるセンサとして、摩擦パッドに印加される荷重を微小な変位で検出する荷重センサがある（例えば、特許文献１参照）。この荷重センサは、フランジ部材および支持部材の２つのセンサ部材と、２つのセンサ部材の一方に固定された磁気センサと、他方に固定された磁気ターゲットとを備えており、フランジ部材に軸方向の荷重が印加されると、フランジ部材がたわむとともに、磁気センサと磁気ターゲットが相対変位し、磁気センサで検出した磁界に基づいて、荷重の大きさを検出する。

ここで、フランジ部材は、支持部材の嵌合部に、圧入または加締めで固定されており、フランジ部材と支持部材との周方向の相対位置については、両者に形成された軸方向のピン穴が連なった状態で位置決めピンを挿入することにより、固定されている。

特開２０１３－０３２９７０号公報

しかしながら、上述のように２つのセンサ部材を備える構成では、フランジ部材の変形（たわみ）に伴って生じる支持部材の嵌合部との微小な滑り摩擦の影響によって、荷重と変位との相関にヒステリシスが生じる場合があり、十分な検出精度が得られない。

この発明の目的は、簡単な構成で十分な検出精度が得られる荷重センサおよびそれを備えた電動ブレーキ装置を提供することである。

本発明の荷重センサは、単一のセンサ部材と、変位センサと、センサターゲットとを備え、前記センサ部材が支持される支持側に対向する荷重印加側から、前記センサ部材に荷重が印加されると、前記センサ部材が変形するとともに、前記変位センサと前記センサターゲットが相対変位し、前記変位センサで検出した前記変位センサと前記センサターゲットとの相対変位量に基づいて、前記荷重の大きさを検出する。そして、前記センサ部材が、前記荷重の印加方向と平行な前記センサ部材の中心軸に沿う縦断面において、前記中心軸と平行な前後方向および前記中心軸と垂直な前後方向の４方向のうち、３方向のすべておよび１方向の少なくとも一部を前記センサ部材に囲まれた空間を有する。

本発明の荷重センサにおいては、センサ部材が単一であって上述のような空間を有する形状であることから、変位センサとセンサターゲットが比較的大きく相対変位するとともに、複数のセンサ部材間での滑り摩擦が生じないので、簡単な構成で十分な検出精度が得られる。

本発明の荷重センサにおいては、前記センサ部材が、前記支持側において前記空間と連通する開口部を有してもよい。

本発明の荷重センサにおいては、前記センサ部材が、前記荷重印加側において中空円板（穴あき円板、円環板とも呼ばれる）状で前記中心軸方向に突出した凸部を有してもよく、この場合、前記荷重が前記凸部の端面に印加されるようにしてもよい。

本発明の荷重センサは、前記凸部の端面および内周面に印籠嵌合するステー部材を備え、前記ステー部材に印加された荷重が、少なくとも前記凸部の端面を経由して前記センサ部材に伝達されることが好ましい。この場合には、ステー部材がセンサ部材の凸部の端面および内周面に印籠嵌合することにより、荷重が印加された際に、センサ部材の凸部の径方向内側への変位が抑制されて、センサ部材とステー部材との前記中心軸を基準とする径方向の滑りが緩和される。さらに、比較的剛性の低いセンサ部材の凸部が弾性変形することから、ステー部材の剛性によってセンサ部材の変形が阻害されることが抑制される。したがって、必要なセンサ感度を確保しつつ、検出精度を向上できる。

本発明の荷重センサにおいては、前記荷重が、前記ステー部材の表面における円環状の加圧領域に印加され、前記中心軸からの前記凸部の平均半径が、前記中心軸からの前記加圧領域の平均半径よりも大きい構造であってもよい。この場合には、センサ部材とステー部材の接触位置での弾性変形量がより小さくなるため、センサ部材とステー部材との径方向での滑り摩擦がより低減され、検出精度がより向上する。

本発明の荷重センサにおいては、前記変位センサおよび前記センサターゲットが、前記中心軸を基準として径方向に対向して設けられ、前記変位センサが前記センサターゲットよりも径方向外側に配置されていてもよい。荷重センサの一般的な利用において、最終的に変位センサの外側に向けて配線を引き出す構造が想定されるが、変位センサがセンサターゲットよりも径方向外側に配置されていれば、変位センサの配線が容易である。

本発明の荷重センサにおいては、前記空間よりも前記荷重印加側の部分を含む第１材料部と、前記空間よりも前記支持側の部分を含む第２材料部とが、複数部材に分割可能な境界なく接合されて前記センサ部材を形成しており、前記第１材料部の材料が、前記第２材料部の材料よりも高い降伏応力を有してもよい。この場合には、負荷が重点的にかかる部分により強度の高い材料を適用することで、強度とコストまたは重量とのバランスを取りやすくなる。

特に、前記第１材料部および前記第２材料部が鉄系材料からなり、前記第１材料部の材料の方が炭素の含有率が高くてもよい。一般に、鉄系材料からなる部品を安価に製造可能な鍛造加工においては、炭素含有率が低い材料の方が加工性に優れ製造コストを低減できる傾向にあるため、第１材料部の材料の方が炭素の含有率が高い場合には、負荷が重点的にかかる部分により強度の高い材料を適用し、比較的負荷の小さい部分に加工性に優れた材料を適用することで、強度とコストとのバランスを取りやすくなる。

キャリパと、直線運動する直動部を有する直動アクチュエータと、ブレーキロータと、摩擦パッドとを備え、前記直動部により前記摩擦パッドを前記ブレーキロータに対して当接離隔させる電動ブレーキ装置であって、上述した本発明の荷重センサのいずれかを備え、その荷重センサにより、前記摩擦パッドに印加される荷重を検出する電動ブレーキ装置も、本発明に属する。本発明の電動ブレーキ装置によれば、上述した本発明の荷重センサと同様の作用効果が得られる。

本発明の第１実施形態の荷重センサを示す縦断面図である。 同荷重センサの部分拡大縦断面図である。 同荷重センサの変形例を示す縦断面図である。 本発明の第２実施形態の荷重センサを示す縦断面図である。 同荷重センサの変形例を示す縦断面図である。 第１実施形態の荷重センサにおけるセンサ部材の形成例を示す縦断面図である。 同センサ部材の他の形成例を示す縦断面図である。 第２実施形態の荷重センサの変形例を備えた電動ブレーキ装置を示す縦断面図である。

本発明の第１実施形態の荷重センサについて、図面とともに説明する。縦断面図である図１に示すように、この荷重センサは、単一のセンサ部材１と、変位センサ２と、センサターゲット３とを備えており、例えば電動ブレーキ装置の支持部５に取り付けられる。そして、センサ部材１が支持される支持側（図１での下側）に対向する荷重印加側（図１での上側）から、センサ部材１に荷重が印加方向Ｆ（図１での下向き）で印加されると、センサ部材１が変形するとともに、変位センサ２とセンサターゲット３が相対変位し、変位センサ２で検出した変位センサ２とセンサターゲット３との相対変位量に基づいて、印加された荷重の大きさが検出される。

センサ部材１は、中心軸Ｃをもつ中空円板（穴あき円板、円環板とも呼ばれる）状であり、荷重の印加方向Ｆと平行な中心軸Ｃに沿う縦断面（図１に示す断面）において、中心軸Ｃと平行な前後方向（図１での上下方向）および中心軸Ｃと垂直な前後方向（図１での左右方向）の４方向のうち、３方向（図１での上方向と左右方向）のすべておよび１方向（図１での下方向）の少なくとも一部をセンサ部材１に囲まれた空間Ｓを有する。具体的には、空間Ｓも、中心軸Ｃをもつ中空円板状である。

センサ部材１は、支持側において空間Ｓと連通する開口部１ａを有しており、開口部１ａも中心軸Ｃをもつ中空円板状であるため、空間Ｓは、図１の縦断面において、前記４方向のうち、１方向（図１での下方向）の径方向内側部においてのみ、センサ部材１に囲まれていない。なお、開口部１ａは、空間Ｓの径方向外側部に連通してもよい（図３参照）。

センサ部材１は、図６に示すように、空間Ｓよりも荷重印加側の部分を含む第１材料部１Ａと、空間Ｓよりも支持側の部分を含む第２材料部１Ｂとを、中心軸Ｃに垂直な円環状の接合面Ｊにおいて、複数部材に分割されないように接合して形成でき、第１材料部１Ａおよび第２材料部１Ｂが金属材料である場合の接合方法としては、レーザ溶接、電子ビーム溶接、拡散接合、摩擦圧接等を用いることができる。接合面Ｊは、図７に示すように、中心軸Ｃをもつ円柱側面状であってもよい。

ここで、第１材料部１Ａの材料が、第２材料部１Ｂの材料よりも高い降伏応力を有するようにすれば、負荷が重点的にかかる部分により強度の高い材料を適用することになり、強度とコストまたは重量とのバランスを取りやすくなる。さらに、第１材料部１Ａおよび第２材料部１Ｂを鉄系材料とし、第１材料部１Ａの材料の方の炭素の含有率をより高くすれば、負荷が重点的にかかる第１材料部１Ａにより強度の高い材料を適用し、比較的負荷の小さい部分に加工性に優れた材料を適用することになり、強度とコストとのバランスを取りやすくなる。なお、荷重センサの用途に応じて、第１材料部１Ａおよび第２材料部１Ｂの少なくとも一方の材料を、アルミニウム等の鉄系以外の金属材料としてもよいし、樹脂材料としてもよい。この場合、強度とコストまたは重量とのバランスを取りやすくなる。また、特に樹脂材料を適用する場合には、接合部を加熱して容易に接合できる。

なお、第１実施形態の荷重センサにおいては、センサ部材１、空間Ｓ、開口部１ａを中空円板（穴あき円板、円環板とも呼ばれる）状としたが、荷重センサの用途によっては、それらを穴あき多角形板状としてもよい。

図１の変位センサ２およびセンサターゲット３としては、例えば磁気センサおよび永久磁石をセンサ部材１に固定して用いることができる。磁気センサとしては、ホール素子、ＭＩ素子、ＭＲ素子等を用いることができ、永久磁石としては、変位センサ２側がＮ極の第１永久磁石３ａおよび変位センサ２側がＳ極の第２永久磁石３ｂを中心軸Ｃ方向に並べて用いることができる（図２参照）。第１永久磁石３ａと第２永久磁石３ｂの上下関係を図２とは逆にしてもよい。

荷重センサの用途により、変位センサ２およびセンサターゲット３として、インダクタンス測定センサおよび中心軸Ｃ方向の変位により測定されるインダクタンスが変動する形状のインダクタンス変動形状部を用いてもよい。インダクタンス変動形状部としては、中心軸Ｃ方向の段差形状部や傾斜形状部を用いることができる。また、荷重センサの用途により、変位センサ２として、静電容量センサや光学式センサを用いることもできる。

変位センサ２およびセンサターゲット３は、センサ部材１の開口部１ａにおいて、中心軸Ｃを基準として径方向に対向して設けられ、変位センサ２がセンサターゲット３よりも径方向外側に配置されている。荷重センサの一般的な利用において、最終的に変位センサの外側に向けて配線を引き出す構造が想定されるが、変位センサ２がセンサターゲット３よりも径方向外側に配置されていれば、変位センサ２の配線が容易である。なお、センサ部材１の開口部１ａにおいて、周方向に複数組の変位センサ２およびセンサターゲット３を配置して、検出精度や冗長性を向上させてもよい。この場合、図２の第１永久磁石３ａおよび第２永久磁石３ｂは、それぞれ、中心軸Ｃをもつ中空円板状に連なったものであってもよい。

以上のように、第１実施形態の荷重センサにおいては、センサ部材１が単一であって上述のような空間Ｓを有する形状であることから、変位センサ２とセンサターゲット３が比較的大きく相対変位するとともに、複数のセンサ部材間での滑り摩擦が生じないので、簡単な構成で十分な検出精度が得られる。

本発明の第２実施形態の荷重センサについて、上述の第１実施形態の荷重センサと異なる点のみを図面とともに説明する。縦断面図である図４に示すように、第２実施形態の荷重センサにおいては、センサ部材１が、荷重印加側において中空円板状で中心軸Ｃ方向に突出した凸部１ｂを有する。

この荷重センサは、さらに、凸部１ｂの端面および内周面に印籠嵌合する（凸部１ｂの内周面に隙間なく嵌合して凸部１ｂの端面に当接する）ステー部材４ａを備え、ステー部材４ａに印加された荷重が、少なくとも凸部１ｂの端面（図４では上面）を経由してセンサ部材１に伝達される。ステー部材４ａは、センサ部材１に取り付けられたスラスト円筒ころ軸受４の固定側軌道輪を兼ねており、スラスト円筒ころ軸受４は、固定側軌道輪４ａ、円筒ころである転動体４ｂ、保持器４ｃ、回転側軌道輪４ｄを有している。なお、安価な一般鋼材を用いたステー部材を適用し、そのステー部材とは別に、スラスト円筒ころ軸受４の固定軌道輪を設ける構成としてもよい。

この構成では、ステー部材４ａがセンサ部材１の凸部１ｂの端面および内周面に印籠嵌合することにより、荷重が印加された際に、センサ部材１の凸部１ｂの径方向内側への変位が抑制されて、センサ部材１とステー部材４ａとの中心軸Ｃを基準とする径方向の滑りが緩和される。さらに、比較的剛性の低いセンサ部材１の凸部１ｂが弾性変形することから、ステー部材４ａの剛性によってセンサ部材１の変形が阻害されることが抑制される。したがって、必要なセンサ感度を確保しつつ、検出精度を向上できる。

この荷重センサでは、スラスト円筒ころ軸受４の回転側軌道輪４ｄに印加された荷重が、固定側軌道輪であるステー部材４ａの表面において、円筒ころ４ｂの軌道面である円環状の加圧領域Ｐに印加され、中心軸Ｃからの凸部１ｂの平均半径ｒ１が、中心軸Ｃからの加圧領域Ｐの平均半径ｒ２と等しい。この構成によれば、ステー部材４ａの荷重に対する剛性を十分に高くできる。しかしながら、変形例として、図５に示すように、中心軸Ｃからの凸部１ｂの平均半径ｒ１が、中心軸Ｃからの加圧領域Ｐの平均半径ｒ２よりも大きくてもよい。この構成によれば、センサ部材１とステー部材４ａの接触位置での弾性変形量がより小さくなるため、センサ部材１とステー部材４ａとの径方向での滑り摩擦がより低減され、検出精度がより向上する。

第２実施形態の荷重センサによれば、前述の第１実施形態の荷重センサによる作用効果に加え、以上に述べた追加の構成による作用効果が発揮される。

制動力の大きさを制御するために、上述した本発明の荷重センサのいずれかを用いる電動ブレーキ装置も、本発明に属する。一例として、第２実施形態の荷重センサの変形例を備えた電動ブレーキ装置を、縦断面図である図８に示す。この電動ブレーキ装置は、キャリパ１１と、例えば電動モータ１２ｂを回転駆動源として直動部１２ａを直線運動させる直動アクチュエータ１２と、ブレーキロータ１０と、摩擦パッド１３，１４とを備え、直動部１２ａにより摩擦パッド１３，１４をブレーキロータ１０に対して当接離隔させる。そして、単一のセンサ部材１、変位センサ２、センサターゲット３ａ，３ｂ等を備えた前述の第２実施形態の荷重センサの変形例が、電動ブレーキ装置の支持部５に取り付けられている。なお、以下の説明において、電動ブレーキ装置を車両に搭載した状態で、車両の車幅方向外側をアウトボード側ＯＳといい、車両の車幅方向中央側をインボード側ＩＳという。

この電動ブレーキ装置では、制動時、直動アクチュエータ１２の駆動により、つまり直動部１２ａの直線運動により、インボード側ＩＳの摩擦パッド１４がブレーキロータ１０に当接して、ブレーキロータ１０を中心軸Ｃ方向に押圧する。その押圧力の反力により、直動アクチュエータ１２のハウジングと一体化していて中心軸Ｃ方向にスライド自在であるキャリパ１１が、インボード側ＩＳにスライドする。これにより、キャリパ１１に支持されたアウトボード側ＯＳの摩擦パッド１３がブレーキロータ１０に当接する。これらアウトボード側ＯＳおよびインボード側ＩＳの摩擦パッド１３，１４で、ブレーキロータ１０を中心軸Ｃ方向両側から強く挟持することで、ブレーキロータ１０に制動力が負荷される。この際、荷重センサにより、摩擦パッド１３，１４に印加される荷重が検出される。以上のように例示した本発明の電動ブレーキ装置によれば、上述した本発明の荷重センサと同様の作用効果が得られる。

１ センサ部材
１ａ 開口部
１ｂ 凸部
１Ａ 第１材料部
１Ｂ 第２材料部
２ 変位センサ
３ センサターゲット
４ａ ステー部材
１０ ブレーキロータ
１１ キャリパ
１２ 直動アクチュエータ
１２ａ 直動部
１３，１４ 摩擦パッド
Ｃ 中心軸
Ｆ 荷重の印加方向
Ｐ 加圧領域
ｒ１ 凸部の平均半径
ｒ２ 加圧領域の平均半径
Ｓ 空間

Claims (9)

1. 単一のセンサ部材と、変位センサと、センサターゲットとを備え、
   前記センサ部材が支持される支持側に対向する荷重印加側から、前記センサ部材に荷重が印加されると、前記センサ部材が変形するとともに、前記変位センサと前記センサターゲットが相対変位し、
   前記変位センサで検出した前記変位センサと前記センサターゲットとの相対変位量に基づいて、前記荷重の大きさを検出する荷重センサであって、
   前記センサ部材が、前記荷重の印加方向と平行な前記センサ部材の中心軸に沿う縦断面において、前記中心軸と平行な前後方向および前記中心軸と垂直な前後方向の４方向のうち、３方向のすべておよび１方向の少なくとも一部を前記センサ部材に囲まれた空間を有する荷重センサ。
2. 請求項１に記載の荷重センサにおいて、
   前記センサ部材が、前記支持側において前記空間と連通する開口部を有する荷重センサ。
3. 請求項１または２に記載の荷重センサにおいて、
   前記センサ部材が、前記荷重印加側において中空円板状で前記中心軸方向に突出した凸部を有する荷重センサ。
4. 請求項３に記載の荷重センサにおいて、
   前記凸部の端面および内周面に印籠嵌合するステー部材を備え、
   前記ステー部材に印加された荷重が、少なくとも前記凸部の端面を経由して前記センサ部材に伝達される荷重センサ。
5. 請求項４に記載の荷重センサにおいて、
   前記荷重が、前記ステー部材の表面における円環状の加圧領域に印加され、
   前記中心軸からの前記凸部の平均半径が、前記中心軸からの前記加圧領域の平均半径よりも大きい荷重センサ。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の荷重センサにおいて、
   前記変位センサおよび前記センサターゲットが、前記中心軸を基準として径方向に対向して設けられ、前記変位センサが前記センサターゲットよりも径方向外側に配置されている荷重センサ。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の荷重センサにおいて、
   前記空間よりも前記荷重印加側の部分を含む第１材料部と、前記空間よりも前記支持側の部分を含む第２材料部とが、複数部材に分割可能な境界なく接合されて前記センサ部材を形成しており、
   前記第１材料部の材料が、前記第２材料部の材料よりも高い降伏応力を有する荷重センサ。
8. 請求項７に記載の荷重センサにおいて、
   前記第１材料部および前記第２材料部が鉄系材料からなり、前記第１材料部の材料の方が炭素の含有率が高い荷重センサ。
9. キャリパと、直線運動する直動部を有する直動アクチュエータと、ブレーキロータと、摩擦パッドとを備え、前記直動部により前記摩擦パッドを前記ブレーキロータに対して当接離隔させる電動ブレーキ装置であって、
   請求項１から８のいずれか一項に記載の荷重センサを備え、その荷重センサにより、前記摩擦パッドに印加される荷重を検出する電動ブレーキ装置。

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