JP4059630B2 - 振動減衰されるべき構成要素を有する装置、特にブレーキ - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、機械的振動が望ましくなく、このため、減衰しなければならない状況にある、機械的に振動する構成要素を有する装置に関する。
【０００２】
かかる装置の一例は、ブレーキである。本発明は、ブレーキに関して以下に説明するが、本発明は、その他の装置にも使用可能である。特に、可動部品が互いに擦り合う装置にて機械的振動が生じ、このため、装置は望ましくない振動状態となる。
【０００３】
上記の現象は、ブレーキにて以前から周知であった。例えば、ディスクブレーキ又はドラムブレーキのようなブレーキにおける機械的振動は、また、いわゆる「ブレーキの泣き」という、極めて望ましくない音の発生をしばしば引き起す。以前から、ブレーキの泣きの原因を理論的に研究し、実際的な措置によってそれらに対処しようとする試みが為されている。
【０００４】
このため、例えば、米国特許第９７４５４９号は、振動伝達経路を遮断し得るように、鋼製のホイール、歯車又はその他のホイールに穴をあけることを提案している。更に、鉛のような振動減衰材料を穴に配置することが提案されている。
【０００５】
米国特許第１５７２６８０号は、アンカープレートの振動を阻止し得るように選んだ特定の材料を充填したリセス部又は開口部を有する特定の領域内にアンカープレートを提供することにより、ドラムブレーキにおける騒音の発生を減少させることを目的とする。
【０００６】
英国特許第１３８１５８９号は、重心位置を変更するため質量継手（ｍａｓｓ ｃｏｕｐｌｉｎｇ）を使用することにより固定キャリパ型ディスクブレーキにおける望ましくない騒音の発生を防止することを目的とする。
【０００７】
従来技術は、また、シリコーン油により取り巻かれた「振動吸収器」を提供することにより、フレームの振動を減衰させるため、浮動型フレームブレーキの場合のドイツ国特許出願公開第１９５０５０００号からの提案も含んでいる。
【０００８】
米国特許明細書第４４４５５９４号は、ブリッジフィンガ内のゴム要素を介して、部分的にライニング被覆したキャリパ浮動型キャリパディスクブレーキの外側ブレーキパッドを固定し且つ支持することにより、振動を防止することを目的とする。
【０００９】
日本国特許出願公開昭５９−２００８１９号は、また、ディスクブレーキのブリッジフィンガに振動ダンパを設けることを教示している。この振動ダンパは、ゴム又はプラスチック材料にて作られており、鋼の質量体が更に目的をもって取り付けられている。一方にて、ブリッジの固有振動数の相違、及び他方にて上記質量体の固有振動数の相違のため、装置及び／又は構成要素の振動に対処するための試みが為されている。
【００１０】
欧州特許第０５９２２９０号は、一方にて、ディスクブレーキのハウジング側壁に対してクランプ止めウェッジを支え、他方にて、車軸のフランジ（ディスクブレーキが固定される）に対してクランプ止めウェッジを支えることによりディスクブレーキの振動を減衰させることを目的としている。更に、クランプ止めウェッジと側壁との間にエラストマー層を設けることができる。
【００１１】
ブレーキにおける望ましくない機械的振動を防止することを目的とする極めて多岐に亙る性質の試みは、例えば、国際公開第９５／１９５０８号、欧州特許第０４５６３０１号、欧州特許第０４５５２９９号及びドイツ国実用新案登録第７８０１９１９号に記載されている。
【００１２】
内燃機関における振動を抑制するため、欧州特許第０４７００６４号には、構造体に起因する音の振動を検出する圧電センサ要素と、逆位相状態にて構造体に起因する音振動を発生させる作用要素とを備える装置が開示されている。上記の場合、センサ要素の信号は、外部エネルギを供給するための増幅器モジュールも備える、自動の電子式制御装置を介して作用要素に付与される。
【００１３】
本発明の目的は、装置の構成要素の機械的振動を効果的に防止する、簡単、安価で且つ機能的に信頼性の高い手段を提供することである。
【００１４】
既知であるように、圧電要素は、電圧を印加したときに変形し、このため、周期的な電圧を印加したとき、機械的な振動を発生させる、すなわち、周期的に変形する。本発明によれば、圧電要素の上記の機械的振動は、減衰されるべき装置の構成要素の振動に反作用するような仕方にて利用される。基本的な物理法則によれば、これは、例えば、減衰されるべき構成要素の機械的振動と圧電要素の変形振動との間に適当な位相関係を作り出すことにより、生じさせることができる。上記の場合、構成要素の振動及び圧電要素の振動は、必ずしも、互いに同一の周波数を有することは必要でなく、整数倍数による周波数間の関係（「調波」）が、一般的に、減衰効果を実現するのに十分である。
【００１５】
本発明の改良は、多数の利点をもたらす。第一に、減衰されるべき構成要素によって電圧を発生させ、この電圧が、別の圧電要素に印加され（又は、代替的に、同一の圧電要素にさえ印加される、以下参照）、圧電要素の機械的振動（電気ひずみ）を生じさせ、それによって、構成要素の望ましくない振動を減衰させるように圧電要素が利用される。かかる装置は次のような意味において自己調節型である。すなわち、１つの圧電要素の振動を減衰させる周期的振動は、別の圧電要素における電圧の発生により生ずるが、これは、装置における、振動の虞れある構成要素が実際に振動するときにのみ生じるのである（ただし、常にそうである必要はない）。本発明の上記の変形例において、減衰されるべき構成要素の機械的振動が減少し又は停止するとき、振動を減衰させる圧電要素の周期的な電気的励起が減少し（すなわち、印加される電圧が減少し）、又は完全に遮断される。この装置は、有効な外部エネルギ（電圧）さえも必要としない。ただし、より複雑な装置においては、増幅目的のための追加的な外部電気エネルギ源を設けることができる。
【００１７】
本発明によれば、発生された周期的電圧と印加された電圧との間の位相関係が、インダクタによって減衰目的のために調節される。
【００１８】
上記の場合、インダクタを有する共鳴回路の共鳴振動数が、減衰されるべき構成要素の機械的振動周波数に実質的に調節されるように、少なくとも２つの圧電要素が上記共鳴回路内にて並列に又は直列に接続されることが好ましい。上記の場合、上述した意味において、１つの圧電要素は、圧電効果のため、電圧を発生させることができ、この電圧は、電気ひずみ（すなわち、逆圧電効果）に基づいて、他の圧電要素に印加され、上記圧電要素を機械的に振動させ、従って、装置の構成要素の振動を減衰させるようにする。このように、これらの圧電要素は、互いに逆方向に（横断方向に）作用するが、その機能の点では同一である。
【００１９】
本発明の特に好ましい適用分野は、浮動型キャリパブレーキである。
【００２０】
騒音を発生させる構成要素は、パッドキャリア及び／又は、ブリッジフィンガのような、キャリパの一部分であることが好ましい。
【００２１】
上記の場合、圧電要素はパッドキャリアとキャリパの一部分及び／又はブレーキのフレームとの間にて作用するようにすることが好ましい。ブレーキの周縁方向（すなわち、ブレーキディスクの回転方向、すなわち、接線方向）に互いに隔てられるような仕方にて少なくとも２つの圧電要素が配置されるようにする。上記の場合、ディスクブレーキの半径方向中心面に対して、好ましい配置は、１つの圧電要素をブレーキの入側（ｒｕｎ−ｉｎ ｓｉｄｅ）に設け、別の圧電要素をブレーキの出側（ｒｕｎ−ｏｕｔ ｓｉｄｅ）に設けることである。測定の結果、ブレーキにおけるかかる配置により、装置の機械的振動の減衰が実現可能であることが分かった。
【００２２】
上述したように、本発明の好ましい改良は、２つ以上の圧電要素を電気回路内に挿入して、電圧を伝達し且つ上述したフィードバック効果を生じさせることを可能にする。位相角度を調節するため、インダクタ、すなわち、誘電効果を有する構成要素は、上記の場合、電気回路内に設けることができる。本発明の１つの好ましい改良によれば、インダクタは、例えば、減衰されるべき構成要素のような、ブレーキの構成要素内で直接、一体化することができ、又は代替的に、例えば、圧電要素の直ぐ近くでブレーキのかかる構成要素に取り付け、圧電要素と共に取り付けられるようにすることができる。
【００２３】
共鳴回路内に２つ又はそれ以上の圧電要素を使用することを考えると、圧電要素の少なくとも１つの減衰効果が主として減衰されるべき装置の構成要素の機械的振動周波数領域内にてその最大値となるような仕方にて、共鳴回路が調節されることが好ましい。
【００２４】
ブレーキにおいて、圧電要素は、ブレーキのブレーキ作用力の力束（ｆｒｏｃｅ ｆｌｕｘ）内に配置されることが好ましく、それは、上記力束路内にて摩擦に起因する振動が生じ、従って、その振動を効果的に減衰することができるからである。
【００２６】
このように、ディスクブレーキ用のブレーキパッドは、振動減衰の目的のため、圧電要素を備えることができる。上記の場合、圧電要素をブレーキパッドのキャリアプレートに固定し又は一体化することができる。ブレーキパッドのキャリアプレートを全体として、圧電要素として設計し、又はキャリアプレートの一部分を圧電要素として形成することさえも可能である。
【００２８】
本発明による装置の更なる好ましい改良によれば、装置の１つ又は２つ以上の構成要素の機械的振動を効果的に減衰させるため、機械的に振動する構成要素の波腹（ａｎｔｉｎｏｄｅ）近くに圧電要素が配置されるようにする。本明細書における波腹は、機械的に振動する構成要素が最大振幅にて振動する点である。上記の点にて作用する、周期的振動を防止する圧電要素は、特に、大きい減衰効果を生じさせる。
【００２９】
本発明は、添付図面を参照しつつ、以下により詳細に説明する。
図１には、構成要素の機械的振動が減衰される装置、すなわち、ブレーキディスク１２及びキャリパ１４を備える、部分的にライニング被覆した浮動型キャリパディスクブレーキ１０の１つの実施の形態が図示されている。既知の仕方にて、ブレーキ作用中、ブレーキディスク１２は、２つのブレーキパッド１４ａ、１６ａの間に締め付けられる。ブレーキパッド１４ａ、１６ａは、金属製のパッドキャリアプレート１６、１８に固定されている。ブレーキ作用中、作動ピストン（図８の参照番号２０ａ参照）はシリンダ２０内で軸方向に駆動される。キャリパ１４は、既知の仕方にて間接的に作動させたパッドキャリア１６の上方又はその後方にて２つのブリッジフィンガ２２、２４と係合する。
【００３０】
ブリッジフィンガ２２、２４とパッドキャリアプレート１６との間には、図１に従い、２つの力センサ２６、２８が配置されている。該２つの力センサは、各場合、軸方向（通常の表現にて。すなわち、ディスクブレーキの軸線及び／又はブレーキ作用力の方向に関して軸方向）に作用する力を測定する。ブリッジフィンガ２２、２４の外側には、加速度センサ３０、３２が配置されている。上述した配置は、測定目的に使用される。上述した配置において、２つの力センサ２６、２８を圧電要素にて置換したときに本発明による形態とされた装置の１つの実施の形態が得られる。この点に関しては以下に更に説明する。第一に、図１による装置を使用する測定に関して説明する。
【００３１】
２つの加速度センサ３０、３２の測定値は、（電荷）増幅器３４、３６及び低通過フィルタ４２を介して評価のためコンピュータ４４に入力される。
これと対応する仕方にて、２つの力センサ２６、２８の測定値は、同様に、低通過フィルタ４２を介して評価のためコンピュータ４４に入力される。
【００３２】
図２には、ブレーキ作動中、加速度センサ３０、３２により測定された結果が示してある。図２において、ミリ秒で表わした時間がｘ軸線に表示され、測定した加速度ａはｙ軸線に表示されている。パッドキャリアプレート１６及びブリッジフィンガの系は、上記の場合、周波数ｆ＝２５００Ｈｚにて振動する。まだ、減衰は行われない。図２において、太い線Ａはブレーキの「出側」のブリッジフィンガの加速度を表わし、細い曲線Ｅはブレーキの「入側」のブリッジフィンガの加速度を示す。図１において、ブレーキディスク１２が右側から左側に移動するならば、ブリッジフィンガ２２は入側にあり、ブリッジフィンガ２４は出側にある。
【００３３】
図２の加速度ａは、２５００Ｈｚ、すなわち、明らかに人間の耳で可聴範囲にある、周期的振動を表わす。図２の測定値によれば、２つのブリッジフィンガは、逆位相にある同一周波数の振動を発生させる。
【００３４】
図３には、ブリッジフィンガにて有効であり且つ力センサ２６、２８が測定した力Ｆを同一時間のスケールに亙って示してある。この場合にも、太い線で表わした曲線Ａはブレーキの出側のブリッジフィンガの測定結果を示し、細い曲線Ｅはブレーキの入側のブリッジフィンガの測定結果を示す。
【００３５】
このため、図２及び図３は、減衰されるべき装置「ブレーキ」の構成要素の機械的振動を示す。
上記の目的のため、図１による構成において、２つの力センサ２６、２８は圧電要素にて置換されている。このことは、一例として、図８乃至図１０に図示されている。図示した圧電要素４６、５２は力センサ２６、２８を置換する。図８によるディスクブレーキの更なる詳細は以下に更に詳細に説明する。
【００３６】
このように、図１による構成において、力センサ２６、２８に代えて使用される２つの圧電要素は、スイッチ３８を介して電気的に接続されている。２つの圧電要素の電気回路及びスイッチ３８は、更に、インダクタ（Ｌ）４０を保持している。図６Ｂには、ブロック図が図示されている（この場合、回路はスイッチ３８が追加されていると考えることが必要である）。
【００３７】
図４には、上述した圧電要素を使用したときの測定結果が図示されている。加速度センサ３０、３２は、再度、ブリッジフィンガ２２、２４にて加速度を測定する。図４によるｙ軸線の時間０にて、ブレーキ作動中、スイッチ３８は接続される。図４には、時間「０」の前に、ブリッジフィンガが図示した加速度ａの振幅にて強力に振動することが示してある。上記測定の基礎は、ｆ＝４０００Ｈｚの機械的振動の周波数である。このインダクタンスＬは６１ｍＨである。
【００３８】
時間「０」にてスイッチ３８が接続されると直ちに、圧電要素４６、５２は、図４に図示するように、減衰効果を生じる。１つの圧電要素はパッドキャリアプレート１６とブリッジフィンガ２２、２４との間で機械的な振動により周期的に圧縮され、従って、圧電作用により同一周波数の周期的電圧を発生させる。上記周期的電圧は、他方の圧電要素に印加され、このため、その他方の圧電要素は、逆圧電効果のため、機械的に振動し始める、すなわち、周期的に膨張し且つ収縮する。上記手段により、パッドキャリアプレート１６及びブリッジフィンガの系の振動が減衰される。図４に図示するように、この収縮は、０．１秒以内で略完全に停止する。
【００３９】
図５には、測定圧電電圧Ｕが図示されている。時間「０」にてスイッチ３８が接続すると直ちに、２つの圧電要素４６、５２における電圧Ｕは、０．１秒以内に無視し得る程度の小さい値に降下し、このことは、横断状に接続し且つ相互的に作用する２つの圧電要素の自己減衰効果が極めて有効であることを示す。
【００４０】
図６Ａ及び図６Ｂには、容量Ｃ₁、Ｃ₂を有する２つの圧電要素及びインダクタＬ（４０）を接続することのできる電気回路のブロック図が図示されている。上記図面の各々にて、全容量及び共鳴周波数ｆ₀も示してある。容量及びインダクタンスは、共鳴回路の共鳴周波数が減衰されるべき機械的振動に相応し、又は少なくともその整数比となるような仕方にて選ばれることが好ましい。
【００４１】
図７には、圧電要素を備える共鳴回路の電気的共鳴周波数を減衰されるべき系の機械的振動の周波数まで調節するときの利点が示してある。図７において、結合因数ｋはｙ軸線に示し、周波数はｘ軸線に示してある。結合因数ｋは、２つの圧電要素の結合の強さ程度、従って、その減衰効果の測定値である。約０．３の値にて伸びる下方曲線は、２つの圧電要素４６、５２が中間のインダクタを使用せずに、互いに直接、接続される状況を示す。約６００Ｈｚの最大値を有する上方曲線は、９００ｍＨのインダクタが系に接続され、従って、その共鳴周波数が約６００Ｈｚである共鳴回路が形成されることを示す。上記の場合、共鳴状況における結合因数は劇的に増大する（約２の値まで）。このように、共鳴範囲内で図面６Ａ、６Ｂに従って共鳴回路を作動させ且つ共鳴回路の共鳴周波数ｆ₀を実質的に防止すべき機械的振動周波数に調節することにより、ブレーキの構成要素の邪魔な振動を効果的に防止することができる。
【００４２】
図８には、その従来の設計を既に上述した、部分的にライニング被覆した浮動型キャリパディスクブレーキ１０の詳細が図示されている。図８、図９及び図１０によれば、間接的に作動させたパッドキャリアプレート１６とブリッジフィンガ２２、２４との間には、２つの圧電要素４６、５２が配置されている、すなわち、力束がブリッジフィンガから圧電要素を介してパッドキャリアプレートに伝達されるようにされている。圧電要素は、各場合、外側にて凹状に湾曲し且つブリッジフィンガ及びパッドキャリアプレートのそれぞれの相応する凸型樋状体に係合する小さい金属プレート４８、５０の間でクランプ止めされている。図１０には、一例として、パッドキャリアプレート１６における２つの樋状体５４、５６が図示されている。
【００４３】
図８によれば、圧電要素とその振動を減衰されるべき構成要素との間の係合は、間接的に行う、すなわち、例えば、図示した小さい金属プレートのような中間的構成要素を介して行うこともできる。
【００４４】
図８乃至図１０に図示するように、２つの圧電要素４６、５２は、ブレーキ作用力の有効中心（図８による軸線Ａに相応する）の略高さに配置され、一方の圧電要素はブレーキの入側に配置され、他方の圧電要素は反対側、すなわち、出側に配置される。
【００４５】
図１１及び図１２には、図９及び図１０による実施の形態の改変例が図示されている。圧電要素４６´、５２´はパッドキャリアプレート１６´の円筒状リセス部内に配置されている。同様に、インダクタ５８、６０は、パッドキャリアプレート１６´の上に直接、すなわち、図示した実施の形態において、例えば、ポリオキシメチレンのようなプラスチック材料で出来た、支承ディスク６２、６４の助けを受けて取り付けられている。インダクタ５８、６０はら旋状の巻き線の形態をしている。
【００４６】
図８乃至図１２による圧電要素の図示した構成は色々な方法にて接続することができる。圧電要素の各々を別個のサブアセンブリとして独立的な共鳴回路を形成し得るようインダクタに別個に接続し、圧電要素に作用するブレーキの機械的振動がある電圧を発生させ、この電圧は、インダクタにより反作用し、圧電要素にて逆圧電効果（すなわち、印加された電圧の結果として圧電要素の機械的振動）が生じ、上述したのと同一の減衰作用を発揮する。
【００４７】
他方、代替的に、２つ（又はそれ以上）の圧電要素が上述したように共通の共鳴回路の一部を形成するようにしてもよい。
図示した実施の形態において、圧電要素を備える共鳴回路は何ら外部エネルギを必要としない。しかし、代替的に、補助的な電子的手段を使用して圧電電圧を増幅することも可能である。
【００４８】
また、電気回路内で使用されるインダクタンス及び容量が各場合に設けられる系に対して適応させることで調節可能であるようにすることも可能である。
例えば、実際のディスクブレーキのような所定の装置の場合、使用すべき圧電要素の性能データ、特に、容量及びインダクタンスは、図１による装置を使用して実験的に最適化し、次に、これに相応して所定の系に対して使用する。周波数を最適に調節し且つ減衰作用を最適にするため、共鳴回路内に追加的なコンデンサ及び／又はインダクタ及び／又は抵抗器を設けることが必要となることもある。
【００４９】
圧電要素間の結合損失は外部エネルギにより補償することができる。
また、その要素内で発生された圧電電圧が結合され（重ね合わされ）、結合した電圧が各場合、同一又は更なる圧電要素に印加され、逆圧電効果により減衰作用を為し得るように複数の圧電要素を各場合にて接続することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の基本的原理を説明する、測定装置を備えるディスクブレーキの図である。
【図２】 図１による測定装置で測定した一部分ライニング被覆の浮動型キャリパディスクの入側及び出側のブリッジフィンガの加速度を示す図である。
【図３】 図１による測定装置で測定したディスクブレーキの入側及び出側のブリッジフィンガにおける力を示す図である。
【図４】 減衰のため圧電要素を使用することを考慮して、図１による装置で測定したブリッジフィンガの１つの加速度を示す図である。
【図５】 図４による測定を考慮して、２つの圧電要素の一方の電圧の時間特性の図である。
【図６】 ６Ａは、２つの圧電要素と、インダクタとを備える電気回路のブロック図である。
６Ｂは、図６Ａと異なる電気回路のブロック図である。
【図７】 振動周波数の関数として２つの圧電要素の結合振舞いに関する測定値の図である。
【図８】 減衰用の圧電要素を備える部分的にライニング被覆した浮動型キャリパディスクブレーキの図である。
【図９】 圧電要素を備える、図８によるブレーキのブレーキパッドの軸方向平面図である。
【図１０】 図９によるブレーキパッドの断面図である。
【図１１】 圧電要素を備えるブレーキパッドの別の実施の形態の平面図である。
【図１２】 図１１によるブレーキバッドの断面図である。

Claims (4)

1. 浮動型キャリパブレーキの構成要素であって、
   ブレーキの単一の部材と、
   該ブレーキの単一の部材に設けられた１つの圧電要素と、
   同じく前記ブレーキの単一の部材に設けられた別の圧電要素と、
   前記１つの圧電要素と直接に電気的に接続されて共鳴回路を形成するインダクタと、を備え、
   前記ブレーキの単一の部材の一部の機械的振動によって前記１つの圧電要素が変形され、この振動があったとき前記１つの圧電要素が、該１つの圧電要素とともに前記共鳴回路を形成する前記インダクタに印加される電圧を発生させ、前記共鳴回路は、前記発生した電圧の位相を変位させ、該位相を変位された電圧は前記別の圧電要素に印加され、該位相の変位は、前記別の圧電要素を振動させて前記ブレーキの単一の部材の一部の機械的振動を減衰させるようになされており、
   前記１つの圧電要素と前記別の圧電要素とが、ブレーキの周方向に沿ってある距離だけ互いに離れた位置に配置されており、
   前記１つの圧電要素がブレーキの入側に配置され、前記別の圧電要素がブレーキの出側に配置されることを特徴とする、
   ブレーキの構成要素。
2. 請求項１に記載のブレーキの構成要素において、
   前記インダクタが、ブレーキの構成要素内に一体化されていることを特徴とする、ブレーキの構成要素。
3. 請求項１または２に記載のブレーキの構成要素において、
   前記１つの圧電要素および前記別の圧電要素が、ブレーキのブレーキ作用力の力束内に配置されていることを特徴とする、ブレーキの構成要素。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載のブレーキの構成要素において、
   前記１つの圧電要素および前記別の圧電要素のうちの少なくとも１つの圧電要素が、機械的に振動する構成要素の波腹に近い位置に配置されていることを特徴とする、ブレーキの構成要素。

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