JP5584834B2 - 摩擦ブレーキ - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念の特徴を有する、摩擦ブレーキパッドと、摩擦ブレーキパッドをブレーキ体に押圧可能な操作装置と、を備えた摩擦ブレーキに関するものである。摩擦ブレーキは、特に車両ブレーキ、例えばディスクブレーキであり、またはドラムブレーキであってもよい。ブレーキ体は、ディスクブレーキの場合にはブレーキディスクであり、ドラムブレーキの場合にはブレーキドラムである。

自動車用車輪ブレーキとして、たいていの場合ディスクブレーキとして形成されている電気機械式摩擦ブレーキが既知である。既知のこのような摩擦ブレーキは電気機械式操作装置を有し、電気機械式操作装置は電動機およびスピンドル駆動装置を備え、スピンドル駆動装置は、ブレーキ体に対して、即ちディスクブレーキの場合にはブレーキディスクに対して摩擦ブレーキパッドを押圧させるために、電動機の回転運動を並進（直進）運動に変換するためのものである。

自己増幅式のこのようなディスクブレーキもまた既知である。自己増幅式ディスクブレーキの場合、摩擦ブレーキパッドはブレーキ体の一方の回転方向に可動であり、この場合、必ずしも、摩擦ブレーキパッドがブレーキディスクの回転軸の周りの円軌道上を運動可能である必要はない。摩擦ブレーキパッドの運動は例えばブレーキディスクに対する弦の方向に行われてもよい。摩擦ブレーキパッドはブレーキディスクに対してくさびテーパをなして支持されている。操作されたブレーキにおいて、摩擦ブレーキパッドが操作装置によってブレーキディスクに押圧されたとき、回転ブレーキディスクは摩擦ブレーキパッドに摩擦力を与え、摩擦力は、摩擦ブレーキパッドを、くさびテーパとブレーキディスクとの間の次第に狭くなるくさび隙間の方向に移動させる。くさび原理によって、くさびテーパは摩擦ブレーキパッドに支持力を与え、支持力はブレーキディスクに対して法線方向の成分を有している。ブレーキディスクに対して法線方向の、支持力のこの成分は、摩擦ブレーキパッドがそれによりブレーキディスクに対して押圧される締付力を増大し、即ちブレーキ力が増大される。摩擦ブレーキパッドの、ブレーキディスクとは反対の後側のくさびテーパおよび付属されたくさびは、くさび機構および自己増幅装置と理解されてもよい。

請求項１の上位概念の特徴を有する本発明による摩擦ブレーキにおいてもまた、摩擦ブレーキパッドはブレーキ体の回転方向に可動である。力−電圧変換器は、摩擦ブレーキパッドを、回転ブレーキ体と共に回転しないように支持する。力−電圧変換器は、摩擦ブレーキパッドが力−電圧変換器に支持される支持力を電圧に変換し、この場合、電圧とは電流とも理解されるべきである。力−電圧変換器の電圧は、摩擦ブレーキパッドがブレーキ体に押圧される締付力即ち力を増大させるために、操作装置に供給可能である。これにより、ブレーキ力増幅ないしは自己増幅が可能である。追加の利点は、力−電圧変換器がブレーキ力センサとして利用可能であることである。力−電圧変換器の電圧を測定することにより、摩擦ブレーキパッドが力−電圧変換器に支持される支持力、すなわち摩擦ブレーキのブレーキ力が決定可能である。ブレーキ力を測定するために別のセンサは必要ではない。ブレーキ力および摩擦ブレーキパッドに与えられた締付力から、さらに、摩擦ブレーキパッドとブレーキ体との間の摩擦係数が決定可能である。ブレーキ体の両方の回転方向において自己増幅を可能にするために、摩擦ブレーキパッドは、ブレーキ体の両方の回転方向において、１つまたはいくつかの力−電圧変換器に支持されていることが好ましい。

従属請求項は、請求項１に与えられた本発明の有利な形態および変更態様を対象としている。

請求項３は、操作装置が電圧−力変換器を有し、電圧−力変換器が、電圧または電流を、摩擦ブレーキパッドがブレーキ体に押圧される力に変換することを意図している。操作された摩擦ブレーキおよび回転するブレーキ体において摩擦ブレーキパッドが力−電圧変換器に支持されているとき、電圧−力変換器は、力−電圧変換器が発生した電圧を簡単に受け取ることを可能にする。本発明のこの形態は簡単な自己増幅を可能にする。有利な利点はブレーキ操作の高い動特性である。

例えば、磁気コイルを有する誘導的変換器または例えば可動コンデンサプレートを有する容量的変換器が考えられる。力−電圧変換器および／または電圧−力変換器は１つの（または複数の）圧電素子を有していることが好ましい。圧電素子は、力を加えたときに電圧を発生することから力−電圧変換器として利用可能であるばかりでなく、電圧を印加したときに変形し、これにより力が発生可能であることから電圧−力変換器としてもまた利用可能である。圧電素子は、コンパクトで、丈夫で且つほとんど摩耗がなく、その電力消費量は僅かであるにすぎない。

請求項５は、力−電圧変換器と電圧−力変換器との間に電子制御装置が接続されていることを意図している。電子制御装置は、摩擦ブレーキパッドが支持されている力−電圧変換器から摩擦ブレーキパッドをブレーキ体に押圧させる電圧−力変換器へ伝送される電圧の制御を可能にする。このようにして、本発明による摩擦ブレーキの自己増幅が制御される。力−電圧変換器が発生する電圧と、摩擦ブレーキパッドがブレーキ体に押圧される力とから、摩擦ブレーキパッドとブレーキ体との間の摩擦係数が決定可能であるので、電子制御装置により、摩擦係数の関数としての本発明による摩擦ブレーキの自己増幅の制御が可能である。電子制御装置は、同時に、摩擦ブレーキパッドがブレーキ体に押圧される摩擦ブレーキのブレーキ力ないしは締付力を制御可能である。用語「制御（閉ループ制御）」は、ここでは、操作（開ループ制御）をも含むものとする。

以下に本発明が図面に示された実施形態により詳細に説明される。図は、本発明の理解および説明のために、簡単な略図として示されていることを理解すべきである。

図１は、本発明による摩擦ブレーキの第１の実施形態を示す。 図２は、本発明による摩擦ブレーキの第２の実施形態を示す。 図３は、本発明による摩擦ブレーキの第３の実施形態を示す。

図１に示されている本発明による摩擦ブレーキ１は、自動車用車輪ブレーキ即ち車両ブレーキである。摩擦ブレーキ１はディスクブレーキの構造形状を有している。摩擦ブレーキ１は、ブレーキキャリパ５内においてブレーキディスク４の両側に配置された２つの摩擦ブレーキパッド２、３を有している。ブレーキディスク４は、一般化して、制動されるべきブレーキ体と理解されてもよい。２つのうちの一方の摩擦ブレーキパッド２はブレーキキャリパ５内に固定配置され、他方の摩擦ブレーキパッド３は、ブレーキキャリパ５内において、周方向に、即ちブレーキディスク４の両方の回転方向に可動である。可動摩擦ブレーキパッド３は、ブレーキディスク４とは反対の後側にパッドホルダ６を有し、パッドホルダ６は、周方向に位置する両側端部においてそれぞれ圧電素子７に支持され、圧電素子７は力−電圧変換器８および同時にブレーキ力センサ９を形成する。

操作装置１０としてまたは少なくとも操作装置１０の構成要素として摩擦ブレーキ１は他の圧電素子１１を有し、他の圧電素子１１は、ブレーキキャリパ５内において、パッドホルダ６の、ブレーキディスク４とは反対の後側に配置されている。摩擦ブレーキパッド３を有するパッドホルダ６がブレーキディスク４の周方向に運動可能なように、パッドホルダ６はその運動方向において圧電素子１１に対して可動である。図面においては、パッドホルダ６を圧電素子１１に可動支持するために転がり支持（ローラベアリング）１３が示されているが、滑り支持（滑り軸受）、滑り案内等もまた考えられる。この圧電素子１１は電圧−力変換器１２を形成する。

ブレーキキャリパ５内において、可動摩擦ブレーキパッド３がパッドホルダ６を介してブレーキディスク４と共に回転しないように支持する圧電素子７は電子制御装置１４と電気結合される。電子制御装置１４に圧電素子１１もまた接続される。圧電素子１１は電圧−力変換器１２および同時に操作装置１０を形成する。電子制御装置１４は、摩擦ブレーキ１が車輪ブレーキとして使用されている自動車の搭載電源１５に接続されている。

電子制御装置１４は摩擦ブレーキ１の操作力、締付力ないしはブレーキ力を制御する。ブレーキ操作のために、電圧−力変換器を形成する圧電素子１１に電圧が印加される。印加された電圧により圧電素子１１はその厚みを増大し且つパッドホルダ６を介して可動摩擦ブレーキパッド３をブレーキディスク４に対して押圧する。可動摩擦ブレーキパッド３のブレーキディスク４への押圧により、浮動キャリパとして形成されているブレーキキャリパ５がブレーキディスク４に対して横方向に移動され且つ固定摩擦ブレーキパッド２をブレーキディスク４の他方の側に押圧し、これによりブレーキディスク４は制動される。

ブレーキディスク４が回転しているとき、ブレーキディスク４はその周方向において両方の摩擦ブレーキパッド２、３に摩擦力を与える。可動摩擦ブレーキパッド３は、パッドホルダ６を介してブレーキディスク４と共に回転しないように、力−電圧変換器８を形成する圧電素子７に支持されているので、操作された摩擦ブレーキ１において回転ブレーキディスク４に対して押圧された可動摩擦ブレーキパッド３に回転ブレーキディスク４が加えた摩擦力は、パッドホルダ６から、ブレーキディスク４の回転方向に存在する圧電素子７に与えられる。圧電素子７はパッドホルダ６を介して摩擦ブレーキパッド３を支持力によって支持し、支持力はブレーキディスク４と摩擦ブレーキパッドとの間の摩擦力と同じ大きさであり且つ摩擦力とは方向が反対である。力−電圧変換器８を形成する圧電素子７に伝達された摩擦力は圧電素子７を変形させ且つ圧電素子７において電圧を発生し、電圧は電子制御装置１４に供給される。圧電素子７、１１の間に接続されている電子制御装置１４は摩擦ブレーキパッド３を周方向に支持する圧電素子７の電圧を受け取り、且つその電圧を、操作装置１０を形成する圧電素子１１に伝送する。後者の圧電素子１１に印加された電圧および電圧によって摩擦ブレーキパッド３をブレーキディスク４に押圧させる締付力は、これにより増大される。摩擦ブレーキ１は圧電自己増幅を有している。自己増幅の大きさは電子制御装置１４が受け取る電圧の大きさによって制御可能である。

摩擦ブレーキパッド３がパッドホルダ６を介して力−電圧変換器８を形成する圧電素子７に支持されることによって発生する電圧は、摩擦ブレーキ１がブレーキディスク４に与えるブレーキ力に対する尺度である。したがって、力−電圧変換器８を形成する圧電素子７は、同時にブレーキ力センサ９もまた形成する。ブレーキ力と、摩擦ブレーキパッド３が締付力によりブレーキディスク４に押圧され且つ電子制御装置１４が操作装置１０の圧電素子１１に印加する電圧から得られる該締付力とから、可動摩擦ブレーキパッド３とブレーキディスク４との間に形成される摩擦係数μが計算される。これは、簡単に、特に摩擦係数μの関数として、摩擦ブレーキ１の自己増幅の大きさの制御を可能にする。

高い動特性を除いて、電圧−力変換器１２を形成する圧電素子１１は、電圧の印加によって、ほとんど電流消費なしにまたはきわめて僅かな電流消費で変形することから、電力消費が僅かである。したがって、本発明の摩擦ブレーキ１による電力消費すなわち搭載電源１５の負荷は僅かである。他の利点は、圧電素子７、１１はほとんど摩耗しないこと、および摩擦ブレーキ１はほとんど動きのない機構を有するにすぎず、これによりほとんど摩耗がなく且つ汚れにくいこと、である。摩擦ブレーキパッド２、３の交換を除いて、摩擦ブレーキ１はほとんどメンテナンスが不要である。

図２および３の以下の説明において、同一構成部品には図１と同じ符号が付けられている。図２の摩擦ブレーキ１の操作装置１０は梁形状（棒形状）または板形状の曲げ要素１６を有し、曲げ要素１６の両側に電圧−力変換器１２として圧電素子１１が配置されている。圧電素子１１は曲げ要素１６と結合されているのでせん断に強く、電子制御装置１４によって２つの圧電素子１１に電圧を印加することにより、２つの圧電素子１１は変形し且つ曲げ要素１６を曲げるか、ないしはその曲率を増大させる。

２つの圧電素子１１の１つを介して、曲げ要素１６はその中央でブレーキキャリパ５に支持されている。曲げ要素１６の端部または縁部は中間部材１７に当接し、中間部材１７はピストンのようにブレーキキャリパ５内においてブレーキディスク４に対して横方向に移動可能に案内されている。転がり支持（ローラベアリング）１３、滑り支持（滑り軸受）、滑り案内等を介して、中間部材１７は、可動摩擦ブレーキパッド３のパッドホルダ６の後側に当接する。曲げ要素１６の２つの圧電素子１１に電圧を印加することにより、曲げ要素１６は曲げられるか、ないしはその曲率が増大される。この結果、中間部材１７を介して曲げ要素１６は可動摩擦ブレーキパッド３をブレーキディスク４に対して押圧させ、これにより摩擦ブレーキ１は操作される。２つの圧電素子１１を有する曲げ要素１６は、図２の摩擦ブレーキ１の操作装置１０の構成部品である。曲げ要素１６は、電圧を印加したときに圧電素子１１がその変形によって発生する調節ストロークを増大させる。

さらに、図２の摩擦ブレーキ１は圧電素子７を介して特に自己増幅であり、圧電素子７は力−電圧変換器８および同時にブレーキ力センサ９を形成し、且つ可動摩擦ブレーキパッド３を、ブレーキディスク４と共に回転しないように支持し、および圧電自己増幅に関して図１の摩擦ブレーキ１１と同様に形成され且つ機能し、これに関しては図１の説明が参照される。曲げ要素１６を曲げるために、そしてこれによって摩擦ブレーキ１を操作するためには、圧電素子１１が１つあれば十分である。曲げ要素１６の他方の側の第２の圧電素子１１は温度補償に使用される。さらに、曲げ力および／または変形ストローク、即ち締付力および／または調節ストロークは第２の圧電素子１１によって増大されている。

図３の本発明による摩擦ブレーキ１の操作装置１０は２つのピストン１８、１９を有し、２つのピストン１８、１９は、油圧式ディスクブレーキのピストンと同様に、ブレーキディスク４に対して横方向に移動可能にブレーキキャリパ５内に受け入れられている。このために、ブレーキキャリパ５はシリンダ２０として形成され、シリンダ２０は両方のピストン１８、１９の間に油圧液２１を含む。可動摩擦ブレーキパッド３のパッドホルダ６の後側は、転がり支持（ローラベアリング）１３、滑り支持（滑り軸受）、滑り案内等を介して、図１の圧電素子１１および図２からの中間部材１７に当接しているのと同様に、２つのうちの一方のピストン１８に当接している。他方のピストン１９は、ブレーキディスク４とは反対のその後側に、電圧−力変換器１２を形成する圧電素子１１を有している。圧電素子１１に付属されたピストン１９は摩擦ブレーキパッド３に付属されたピストン１８よりも大きい直径を有し、これにより圧電素子１１から摩擦ブレーキパッド３への変位（ストローク）伝達が行われる。ブレーキキャリパ５のシリンダ２０に、ピストン１８、１９の直径に対応して（直径の）段が設けられている。シリンダピストン装置１８、１９、２０は油圧式変位変換器（ストローク伝達装置）を形成し、油圧式変位変換器（ストローク伝達装置）は、電圧を印加したときに、圧電素子１１の厚み変化を増大させ、これにより調節ストロークないしは操作ストロークを増大させる。圧電素子１１、両方のピストン１８、１９およびシリンダ２０は図３の摩擦ブレーキ１の操作装置１０を形成するか、またはこれらは少なくとも操作装置１０の構成部品である。

摩擦ブレーキパッド２、３のパッド摩耗を補償するために、油圧液を有する貯蔵容器２２が、シリンダ２０の方向に流動可能な逆止弁２３を介してシリンダ２０に接続されている。油圧式車両ブレーキ装置のマスタブレーキシリンダから既知のように、ピストン１９が運動しているときには、同様にマスタブレーキシリンダから既知のようにピストン１８、１９のいずれかの運動において貯蔵容器２２をシリンダ２０から油圧的に切り離す中央弁により、または電子制御装置１４によって制御される電磁弁により、閉鎖されるいわゆる逃がし開口を用いて、貯蔵容器２２をシリンダ２０に接続することもまた考えられる（図示されていない）。

さらに、図３の摩擦ブレーキ１は図１の摩擦ブレーキ１と同様に形成され且つ機能するので、反復を避けるために、図３の説明のためには補足的に図１の説明が参照される。

圧電操作装置１０は、力−電圧変換器８を形成する圧電素子７とは無関係に、自己増幅のない摩擦ブレーキにおいてまたは他の自己増幅を有する摩擦ブレーキにおいてもまた実現可能である。

１ 摩擦ブレーキ
２、３ 摩擦ブレーキパッド
４ ブレーキ体（ブレーキディスク）
５ ブレーキキャリパ
６ パッドホルダ
７、１１ 圧電素子
８ 力−電圧変換器
９ ブレーキ力センサ
１０ 操作装置
１２ 電圧−力変換器
１３ 転がり支持（ローラベアリング）
１４ 電子制御装置
１５ 搭載電源
１６ 曲げ要素
１７ 中間部材
１８、１９ ピストン
２０ シリンダ
２１ 油圧液
２２ 貯蔵容器
２３ 逆止弁

Claims (10)

1. 摩擦ブレーキパッド（３）と、摩擦ブレーキ（１）を操作することによって摩擦ブレーキパッド（３）をブレーキ体（４）に押圧可能な操作装置（１０）と、を備え、摩擦ブレーキパッド（３）がブレーキ体（４）の回転方向に可動である、摩擦ブレーキにおいて、
   摩擦ブレーキパッド（３）が力−電圧変換器（８）を有し、摩擦ブレーキパッド（３）が、ブレーキ体（４）と共に回転しないように力−電圧変換器（８）に、支持されていることを特徴とする摩擦ブレーキ。
2. 力−電圧変換器（８）が圧電素子（７）であることを特徴とする請求項１に記載の摩擦ブレーキ。
3. 操作装置（１０）が電圧−力変換器（１２）を有し、電圧−力変換器（１２）が、力−電圧変換器（８）の電圧を、摩擦ブレーキパッド（３）をブレーキ体（４）に押圧する締付力に変換することを特徴とする請求項１に記載の摩擦ブレーキ。
4. 電圧−力変換器（１２）が圧電素子（１１）であることを特徴とする請求項３に記載の摩擦ブレーキ。
5. 力−電圧変換器（８）と電圧−力変換器（１２）との間に電子制御装置（１４）が接続されていることを特徴とする請求項３に記載の摩擦ブレーキ。
6. 力−電圧変換器（８）がブレーキ力センサ（９）を形成することを特徴とする請求項１に記載の摩擦ブレーキ。
7. 操作装置（１０）が曲げ要素（１６）を有し、曲げ要素（１６）を曲げることによって摩擦ブレーキパッド（３）をブレーキ体（４）に押圧し、
   電圧−力変換器（１２）は、電圧が印加されたら、曲げ要素（１６）を曲げる、ことを特徴とする請求項３に記載の摩擦ブレーキ。
8. 曲げ要素（１６）が両側に電圧−力変換器（１２）を有することを特徴とする請求項７に記載の摩擦ブレーキ。
9. 操作装置（１０）が、電圧−力変換器（１２）の運動を伝達する変位変換器（１６、１８、１９、２０）を有することを特徴とする請求項３に記載の摩擦ブレーキ。
10. 操作装置（１０）が油圧式変位変換器（１８、１９、２０）を有することを特徴とする請求項９に記載の摩擦ブレーキ。

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