JP5413719B2 - 電動ブレーキ装置 - Google Patents

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、
前記回転直動変換機構は、複数の永久磁石が配置されるロータ鉄心を備える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て前記ナット部材の回転によって直線運動するネジ軸と、これらナット部材とネジ軸とのそれぞれの対向面に形成される螺旋溝に装填される複数の転動体とを備え、前記ナット部材には、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、前記ロータ鉄心が圧入されるロータ部とが同一部材で形成され、前記ロータ部は、前記ナット部から軸方向に離れて配置されてい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 (5)

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、複数の永久磁石が配置されるロータ鉄心を備える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て前記ナット部材の回転によって直線運動するネジ軸と、これらナット部材とネジ軸とのそれぞれの対向面に形成される螺旋溝に装填される複数の転動体とを備え、
   前記ナット部材には、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、前記ロータ鉄心が圧入されるロータ部とが同一部材で形成され、
   前記ロータ部は、前記ナット部から軸方向に離れて配置されていることを特徴とする電動ブレーキ装置。
2. 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に記載の電動ブレーキ装置。
3. 前記ロータ部の前記ロータ鉄心が固定される固定部位と前記ナット部との間には、環状溝または薄肉の部位が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電動ブレーキ装置。
4. 前記ナット部材は、前記ロータ部の前記ロータ鉄心が固定される固定部位と前記ナット部に対する逆側の前記ロータ部の端部との間に、前記固定部位よりも小径となった小径部が前記固定部位と軸方向に隣り合って形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電動ブレーキ装置。
5. 前記回転直動変換機構はケース内に配置され、前記ネジ軸は、戻しバネによって前記ケースに対して一方向に付勢されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の電動ブレーキ装置。

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