JP5778513B2 - 直動アクチュエータ用の磁気式荷重センサおよび直動アクチュエータ - Google Patents

Description

この発明は、直動アクチュエータ用の磁気式荷重センサおよびその磁気式荷重センサを組み込んだ直動アクチュエータに関する。

車両用ブレーキ装置として、摩擦パッドを油圧シリンダで駆動してブレーキディスクを押圧する油圧ブレーキ装置が採用されてきたが、近年、ＡＢＳ（アンチロックブレーキシステム）等のブレーキ制御の導入に伴い、油圧回路を使用しない電動ブレーキ装置が注目されている。

電動ブレーキ装置は、一般に、電動モータの回転が入力される回転軸と、その回転軸の回転を直動部材の軸方向移動に変換する直動機構とからなる直動アクチュエータを有し、その直動アクチュエータで摩擦パッドに軸方向荷重を印加することで、摩擦パッドをブレーキディスクに押し付けて制動力を発生する。この制動力を所望の大きさに制御するため、直動アクチュエータには、対象物に印加する軸方向荷重の大きさを検出するセンサが組み込まれることが多い。

ここで、軸方向荷重の大きさを検出するセンサを有する直動アクチュエータとして、例えば特許文献１〜３に記載のものが知られている。

特許文献１に記載の直動アクチュエータにおいては、軸方向荷重を摩擦パッドに印加するときに反力を受けるキャリパボディに歪みゲージを取り付け、その歪みゲージの電気抵抗の変化量を計測することでキャリパボディの変形量を検出し、その変形量から直動アクチュエータの軸方向荷重の大きさを検出するようにしている。

特許文献２に記載の直動アクチュエータにおいては、摩擦パッドに軸方向荷重を印加する直動部材を、圧力が加わると内部抵抗が変化するセラミック感圧素子の焼結体で形成し、その直動部材の先端に一対の電極を埋め込み、その電極間の電気抵抗の変化量を計測することで、直動アクチュエータの軸方向荷重の大きさを検出するようにしている。

特許文献３に記載の直動アクチュエータにおいては、摩擦パッドに軸方向荷重を印加する直動部材の内部に液圧室を設け、その液圧室にアクチュエータの軸方向荷重が作用するようにピストンを挿入し、その液圧室の圧力を液圧センサで計測することで、直動アクチュエータの軸方向荷重の大きさを検出するようにしている。

特開２００３−２８７０６３号公報 特開２００３−０１４０１８号公報 特開２００４−２０４９９０号公報

しかしながら、特許文献１の直動アクチュエータのように、キャリパボディに取り付けた歪みゲージで軸方向荷重を検出するようにしたのでは、キャリパボディの変形量ではなく、キャリパボディの局部の歪みを計測するので、キャリパボディの温度変化や温度分布のばらつきによる影響を受けやすく、検出誤差を生じやすい。

特許文献２の直動アクチュエータのように、直動部材の先端に埋め込んだ一対の電極で軸方向荷重を検出するようにした場合も同様に、直動部材の変形量ではなく、直動部材の局部の歪みを計測するので、直動部材の温度変化や温度分布のばらつきによる影響を受けやすく、検出誤差を生じやすい。

特許文献３の直動アクチュエータのように、直動部材の内部に設けた液圧室の圧力を液圧センサで計測することで、直動アクチュエータの軸方向荷重の大きさを検出するようにしたのでは、万一、液圧室の作動液が漏れた場合、液圧センサの出力がアクチュエータの軸方向荷重に対応しなくなるので、長期にわたって信頼性を確保するのが難しい。また、高い信頼性をもって液圧室の液密状態を確保しようとすると、コストが高くなるという問題があった。

この発明が解決しようとする課題は、高い精度で直動アクチュエータの軸方向荷重の大きさを検出することができる磁気式荷重センサを提供することである。

上記課題を解決するため、直動アクチュエータが対象物に印加する軸方向荷重の大きさを検出する直動アクチュエータ用の磁気式荷重センサとして、磁界を発生する磁気ターゲットと、その磁気ターゲットに対する相対位置が前記軸方向荷重に応じて変化するように配置された磁気センサとからなる構成のものを採用した。

このようにすると、直動アクチュエータが対象物に印加する軸方向荷重に応じて磁気ターゲットと磁気センサの相対位置が変化し、その相対位置の変化に応じて磁気センサの出力信号が変化するので、磁気センサの出力信号に基づいて軸方向荷重の大きさを検出することができる。ここで、荷重を受けて変形する部材の局部の歪みではなくその部材の変形量から軸方向荷重を検出するので、直動アクチュエータの温度変化や温度分布のばらつきによる影響を受けにくく、高い精度で直動アクチュエータの軸方向荷重の大きさを検出することが可能である。

前記軸方向荷重が入力されてたわみを生じるフランジ部材と、そのフランジ部材の外径側部分または内径側部分を支持する環状の支持部材とを設け、前記フランジ部材と支持部材のうちの一方に前記磁気ターゲットを固定し、他方に前記磁気センサを固定することができる。このようにすると、アクチュエータの軸方向荷重をフランジ部材に作用させることでそのフランジ部材がたわみ、磁気ターゲットと磁気センサの相対位置が軸方向荷重に応じて変化する。

前記磁気ターゲットとして、前記磁気ターゲットと磁気センサの相対変位方向に対して直交する方向を磁化方向とする複数の永久磁石を、反対の極性を有する磁極が前記磁気ターゲットと磁気センサの相対変位方向に並ぶように配置したものを採用し、その隣り合う磁極の境目の近傍に前記磁気センサを配置すると好ましい。

このようにすると、磁気センサの出力信号は、磁気ターゲットと磁気センサの軸方向の相対変位に対して急峻に変化し、一方、軸方向以外の方向の相対変位に対してはあまり変化しないという軸方向の指向性を示す。そのため、磁気センサの出力信号が外部振動の影響を受けにくく、安定した精度でアクチュエータの軸方向荷重の大きさを検出することができる。

前記フランジ部材と支持部材を円環板状に形成し、そのフランジ部材と支持部材のうちの一方の部材に、他方の部材の内径面と対向する外径面をもつ筒部を設け、その内径面と外径面のうちの一方に前記磁気ターゲットを固定し、他方に前記磁気センサを固定すると好ましい。このようにすると、磁気ターゲットと磁気センサの固定位置精度を容易に確保することができる。

さらに、前記フランジ部材と支持部材の外周部にその両部材の周方向の相対位置を位置決めする位置決め手段を設けると、磁気ターゲットと磁気センサの周方向の相対位置精度を容易に確保することができる。

前記磁気センサとしては、磁気抵抗素子や磁気インピーダンス素子を使用することも可能であるが、ホールＩＣを使用するとコスト面で有利であり、また耐熱性の高いホールＩＣが市販されているので電動ブレーキの用途に好適である。

また、この発明では、電動モータの回転が入力される回転軸と、その回転軸の回転を直動部材の軸方向移動に変換する直動機構とを有し、その直動機構で対象物に軸方向荷重を印加する直動アクチュエータにおいて、前記軸方向荷重を対象物に印加するときに直動機構に作用する反力を受け止める部材として上記の磁気式荷重センサを組み込んだものを提供する。また、前記直動部材と対象物の間に上記の磁気式荷重センサを組み込んでもよい。

前記磁気センサの出力信号を用いて前記軸方向荷重をフィードバック制御することにより高精度な荷重制御が可能となる。

この発明の直動アクチュエータ用の磁気式荷重センサは、荷重を受けて変形する部材の局部の歪みではなく部材の変形量から軸方向荷重を検出するので、直動アクチュエータの温度変化や温度分布のばらつきによる影響を受けにくく、高い精度で直動アクチュエータの軸方向荷重の大きさを検出することが可能である。

この発明の実施形態の磁気式荷重センサを示す分解斜視図 図１に示す磁気式荷重センサの断面図 図２の磁気ターゲットと磁気センサの近傍の拡大断面図 図２の側面図 図３に示す磁気ターゲットと磁気センサの配置を変更した例を示す拡大断面図 図１に示す磁気式荷重センサを電動ブレーキ装置の直動アクチュエータに組み込んだ状態を示す断面図 図６の直動アクチュエータ近傍の拡大断面図 図７のVIII−VIII線に沿った断面図 図７のIX−IX線に沿った断面図 直動機構としてボールねじ機構を採用した例を示す直動アクチュエータの拡大断面図 直動機構としてボールランプ機構を採用した例を示す直動アクチュエータの拡大断面図 図１１のXII−XII線に沿った断面図 （ａ）は図１１に示すボールと傾斜溝の関係を示す図、（ｂ）は（ａ）に示す状態から回転ディスクと直動ディスクが相対回転して両ディスクの間隔が拡大した状態を示す図 この発明の実施形態の磁気式荷重センサの配置例を示す模式図 この発明の実施形態の磁気式荷重センサの他の配置例を示す模式図 この発明の実施形態の磁気式荷重センサを組み込んだ直動アクチュエータの他の例を示す模式図 （ａ）はこの発明の実施形態の磁気式荷重センサを用いて圧縮・引張の両方向の軸方向荷重を検出する例を示す模式図、（ｂ）は（ａ）における軸方向荷重と磁気センサの出力の関係を示す図 （ａ）はこの発明の実施形態の磁気式荷重センサを用いて圧縮・引張の両方向の軸方向荷重を検出する他の例を示す模式図、（ｂ）は（ａ）における軸方向荷重と磁気センサの出力の関係を示す図 （ａ）はこの発明の実施形態の磁気式荷重センサを用いて圧縮・引張の両方向の軸方向荷重を検出する更に他の例を示す模式図、（ｂ）は（ａ）における軸方向荷重と磁気センサの出力の関係を示す図 （ａ）はこの発明の実施形態の磁気式荷重センサを用いて圧縮・引張の両方向の軸方向荷重を検出する更に他の例を示す模式図、（ｂ）は（ａ）における軸方向荷重と磁気センサの出力の関係を示す図 直動アクチュエータが印加する軸方向荷重の大きさを磁気センサの出力信号から推定する方法例を示すフロー図

図１〜図４に、この発明の実施形態の直動アクチュエータ用の磁気式荷重センサ１を示す。この磁気式荷重センサ１は、軸方向に間隔をおいて対向する円環板状のフランジ部材２および支持部材３と、磁界を発生する磁気ターゲット４と、磁界の強さを検出する磁気センサ５とを有する。

フランジ部材２は、支持部材３に向けて突出する筒部６を有する。筒部６の外径面は、支持部材３の内径面と径方向に対向しており、筒部６の外径面に形成された面取り部７に磁気ターゲット４が固定され、支持部材３の内径面に形成された溝８に磁気センサ５が固定されている。フランジ部材２および支持部材３は鉄等の金属で形成されている。

支持部材３は、フランジ部材２との対向面に環状突起９を有し、その環状突起９でフランジ部材２の外径側部分を支持し、フランジ部材２と支持部材３の間隔を保持している。

磁気ターゲット４は、径方向内端と径方向外端に磁極を有するように半径方向に磁化された２個の永久磁石１１からなる。２個の永久磁石１１は、反対の極性を有する磁極（すなわちＮ極とＳ極）が軸方向に並ぶように隣接して配置されている。

永久磁石１１としては、例えば、ネオジム磁石を使用すると、省スペースで強力な磁界を発生させることができるが、サマリウムコバルト磁石、アルニコ磁石、フェライト磁石などを使用してもよい。サマリウムコバルト磁石またはアルニコ磁石を使用すると、永久磁石１１の温度上昇に伴う磁界の減少を抑えることができる。また、プラセオジム磁石、サマリウム窒化鉄磁石を使用することもできる。

磁気センサ５は、２個の永久磁石１１の隣り合う磁極の境目の近傍で磁気ターゲット４と軸直交方向（図では半径方向）に対向するように配置されている。磁気センサ５としては、磁気抵抗素子（いわゆるＭＲセンサ）や、磁気インピーダンス素子（いわゆるＭＩセンサ）を使用することも可能であるが、ホールＩＣを使用するとコスト面で有利であり、また耐熱性の高いホールＩＣが市販されているので電動ブレーキの用途に好適である。

フランジ部材２の外周と支持部材３の外周には断面円弧状の位置決め溝１２，１３が形成され、この位置決め溝１２，１３に共通のキー部材４５（図７参照）を嵌め込むことで、磁気ターゲット４の周方向位置と磁気センサ５の周方向位置が合致するようにフランジ部材２と支持部材３を周方向に位置決めできるようになっている。

この磁気式荷重センサ１は、フランジ部材２に支持部材３に向かう方向の軸方向荷重が作用すると、その軸方向荷重に応じてフランジ部材２が外周部を支点として軸方向にたわみ、そのたわみにより磁気ターゲット４と磁気センサ５の相対位置が変化し、その相対位置の変化に応じて磁気センサ５の出力信号が変化する。そのため、フランジ部材２に作用する軸方向荷重の大きさと、磁気センサ５の出力信号との関係を予め把握しておくことにより、磁気センサ５の出力信号に基づいてフランジ部材２に作用する軸方向荷重の大きさを検出することができる。

図１〜図４では、フランジ部材２に磁気ターゲット４を固定し、支持部材３に磁気センサ５を固定しているが、この磁気ターゲット４と磁気センサ５の関係を反対にしてもよい。すなわち、図５に示すように、フランジ部材２の筒部６の外径面に磁気センサ５を固定し、支持部材３の内径面に磁気ターゲット４を固定してもよい。

図６〜図９に、上記の磁気式荷重センサ１を電動ブレーキ装置の直動アクチュエータ１４に組み込んだ実施形態を示す。

この電動ブレーキ装置は、車輪と一体に回転するブレーキディスク１５を間に挟んで対向する対向片１６，１７をブリッジ１８で連結した形状のキャリパボディ１９と、対向片１７のブレーキディスク１５に対する対向面に開口する収容孔２０に組み込まれた直動アクチュエータ１４と、左右一対の摩擦パッド２１，２２とからなる。

摩擦パッド２２は、対向片１７とブレーキディスク１５の間に設けられており、キャリパボディ１９に取り付けられたパッドピン（図示せず）でブレーキディスク１５の軸方向に移動可能に支持されている。他方の摩擦パッド２１は反対側の対向片１６に取り付けられている。キャリパボディ１９は、ブレーキディスク１５の軸方向にスライド可能に支持されている。

図７に示すように、直動アクチュエータ１４は、回転軸２３と、回転軸２３の外周の円筒面に転がり接触する複数の遊星ローラ２４と、これらの遊星ローラ２４を囲むように配置された外輪部材２５と、遊星ローラ２４を自転可能かつ公転可能に保持するキャリヤ２６と、外輪部材２５の軸方向後方に配置された磁気式荷重センサ１とを有する。

回転軸２３は、図６に示す電動モータ２７の回転が歯車２８を介して入力されることにより回転駆動される。回転軸２３は、対向片１７を軸方向に貫通して形成された収容孔２０の軸方向後側の開口から一端が突出した状態で収容孔２０に挿入され、収容孔２０からの突出部分に歯車２８がスプライン嵌合して回り止めされている。歯車２８は、収容孔２０の軸方向後側の開口を塞ぐようにボルト２９で固定した蓋３０で覆われている。蓋３０には回転軸２３を回転可能に支持する軸受３１が組み込まれている。

図８に示すように、遊星ローラ２４は、回転軸２３の外周の円筒面に転がり接触しており、回転軸２３が回転したときに遊星ローラ２４と回転軸２３の間の摩擦によって遊星ローラ２４も回転するようになっている。遊星ローラ２４は、周方向に一定の間隔をおいて複数設けられている。

図７に示すように、外輪部材２５は、キャリパボディ１９の対向片１７に設けられた収容孔２０内に収容され、その収容孔２０の内周で軸方向にスライド可能に支持されている。外輪部材２５の軸方向前端には、摩擦パッド２２の背面に形成された係合凸部３２に係合する係合凹部３３が形成され、この係合凸部３２と係合凹部３３の係合によって、外輪部材２５がキャリパボディ１９に対して回り止めされている。

外輪部材２５の内周には螺旋凸条３４が設けられ、遊星ローラ２４の外周には、螺旋凸条３４に係合する円周溝３５が設けられており、遊星ローラ２４が回転したときに、外輪部材２５の螺旋凸条３４が円周溝３５に案内されて、外輪部材２５が軸方向に移動するようになっている。この実施形態では遊星ローラ２４の外周にリード角が０度の円周溝３５を設けているが、円周溝３５のかわりに螺旋凸条３４と異なるリード角をもつ螺旋溝を設けてもよい。

キャリヤ２６は、遊星ローラ２４を回転可能に支持するキャリヤピン２６Ａと、その各キャリヤピン２６Ａの軸方向前端の周方向間隔を一定に保持する環状のキャリヤプレート２６Ｃと、各キャリヤピン２６Ａの軸方向後端の周方向間隔を一定に保持する環状のキャリヤ本体２６Ｂとからなる。キャリヤプレート２６Ｃとキャリヤ本体２６Ｂは遊星ローラ２４を間に軸方向に対向しており、周方向に隣り合う遊星ローラ２４の間に配置された連結棒３６を介して連結されている。

キャリヤ本体２６Ｂは、滑り軸受３７を介して回転軸２３に支持され、回転軸２３に対して相対回転可能となっている。遊星ローラ２４とキャリヤ本体２６Ｂの間には、遊星ローラ２４の自転がキャリヤ本体２６Ｂに伝達するのを遮断するスラスト軸受３８が組み込まれている。

各キャリヤピン２６Ａは、周方向に間隔をおいて配置された複数のキャリヤピン２６Ａに外接するように装着された縮径リングばね３９で径方向内方に付勢されている。この縮径リングばね３９の付勢力によって、遊星ローラ２４の外周は回転軸２３の外周に押さえ付けられ、回転軸２３と遊星ローラ２４の間の滑りが防止されている。縮径リングばね３９の付勢力を遊星ローラ２４の軸方向全長にわたって作用させるため、キャリヤピン２６Ａの両端に縮径リングばね３９が設けられている。

磁気式荷重センサ１は、フランジ部材２の軸方向後方に支持部材３が位置するように収容孔２０内に嵌め込まれている。キャリヤ２６と磁気式荷重センサ１の間には、キャリヤ２６と一体に公転する間座４０と、間座４０と磁気式荷重センサ１の間で軸方向荷重を伝達するスラスト軸受４１とが組み込まれている。フランジ部材２の内周には、回転軸２３を回転可能に支持する転がり軸受４２が組み込まれている。

磁気式荷重センサ１は、支持部材３の外周縁を、収容孔２０の内周に装着した止め輪４３で係止することによって軸方向後方への移動が規制されている。そして、この磁気式荷重センサ１は、間座４０とスラスト軸受４１とを介してキャリヤ本体２６Ｂを軸方向に支持することで、キャリヤ２６の軸方向後方への移動を規制している。また、キャリヤ２６は、回転軸２３の軸方向前端に装着された止め輪４４で軸方向前方への移動も規制されている。したがって、キャリヤ２６は、軸方向前方と軸方向後方の移動がいずれも規制され、キャリヤ２６に保持された遊星ローラ２４も軸方向移動が規制された状態となっている。

フランジ部材２と支持部材３の外周の位置決め溝１２，１３には、収容孔２０の内周に係止したキー部材４５が嵌め込まれ、このキー部材４５の嵌合によってフランジ部材２の周方向位置と支持部材３の周方向位置とが相対的に位置決めされている。

次に、上述した直動アクチュエータ１４の動作例を説明する。

電動モータ２７を作動させると、回転軸２３が回転し、遊星ローラ２４がキャリヤピン２６Ａを中心に自転しながら回転軸２３を中心に公転する。このとき螺旋凸条３４と円周溝３５の係合によって外輪部材２５と遊星ローラ２４が軸方向に相対移動するが、遊星ローラ２４はキャリヤ２６と共に軸方向の移動が規制されているので、遊星ローラ２４は軸方向に移動せず、外輪部材２５が軸方向に移動する。このようにして、直動アクチュエータ１４は、電動モータ２７で駆動される回転軸２３の回転を外輪部材２５の軸方向移動に変換し、その外輪部材２５で摩擦パッド２２に軸方向荷重を印加することで、摩擦パッド２２をブレーキディスク１５に押し付けて制動力を発生させる。

ここで、外輪部材２５が摩擦パッド２２に軸方向荷重を印加するとき、外輪部材２５には軸方向後方への反力が作用し、その反力は、遊星ローラ２４、キャリヤ２６、間座４０、スラスト軸受４１を介して磁気式荷重センサ１で受け止められる。そして、その反力によって磁気式荷重センサ１のフランジ部材２が軸方向後方にたわみ、磁気ターゲット４と磁気センサ５の相対位置が変化する。このとき、その相対位置の変化に応じて磁気センサ５の出力信号が変化するので、磁気センサ５の出力信号に基づいて軸方向荷重の大きさを検出することができる。また、この磁気センサ５の出力信号を用いて電動ブレーキ装置の制動力をフィードバック制御することにより、高精度な荷重制御が実現できる。

上記磁気式荷重センサ１は、フランジ部材２の局部の歪みではなく、フランジ部材２の変形量から軸方向荷重を検出するものであるから、直動アクチュエータ１４の温度変化や温度分布のばらつきによる影響を受けにくく、高い精度で直動アクチュエータ１４の軸方向荷重の大きさを検出することが可能である。

摩擦パッド２２に軸方向荷重を印加したとき、フランジ部材２には主にせん断荷重が作用し、支持部材３には主に圧縮荷重が作用する。そして、磁気ターゲット４は、フランジ部材２に作用するせん断荷重によって変位する一方、磁気センサ５は、支持部材３に作用する圧縮荷重によってはほとんど変位せず、この磁気ターゲット４と磁気センサ５の相対変位によって、軸方向荷重の検出が可能となる。

直動アクチュエータ１４が摩擦パッド２２に軸方向荷重を印加するときの磁気ターゲット４と磁気センサ５の相対位置の変化量は極めて小さい。例えば、直動アクチュエータ１４の印加する軸方向荷重の大きさが３０ｋＮのとき、磁気ターゲット４と磁気センサ５の相対位置の変化量は軸方向に０．１ｍｍ程度と極めて微小であるが、上記磁気式荷重センサ１は、複数の永久磁石１１を反対の磁極が磁気ターゲット４と磁気センサ５の相対変位方向に並ぶように配置し、その隣り合う磁極の境目の近傍に磁気センサ５を配置しているので、磁気センサ５の出力信号が、磁気ターゲット４と磁気センサ５の相対位置の変化に対して急峻に変化し、磁気ターゲット４と磁気センサ５の相対位置の変化量を高精度に検出することができる。

例えば、上記磁気ターゲット４と磁気センサ５にかえて、単一コイルによるリラクタンス変化を利用するギャップセンサを利用した場合、センサの分解能の不足により、フランジ部材２のたわみの大きさを高精度に検出することができない。そこで、フランジ部材２にかえて、剛性が低い（すなわち荷重が作用すると大きく変形する性質をもつ）部材を用いることが考えられるが、このようにすると、耐久性や応答速度の低下といった問題が生じる。この課題を解決するためには複雑な変位拡大機構が必要となり、ヒステリシス誤差の発生や製造コストの増加に繋がる。これに対し、上記磁気式荷重センサ１では、磁気センサ５の出力信号が、磁気ターゲット４と磁気センサ５の相対位置の変化に対して急峻に変化するので、磁気ターゲット４と磁気センサ５の相対位置の変化量を高精度に検出することができる。

上記磁気ターゲット４と磁気センサ５にかえて静電容量センサを用いると、高温または低温条件に対応するには複雑な防湿構造が必要となるため、製造コストが高価になる。また、電動モータ２７に起因する電気的ノイズを除去するためには複雑な絶縁構造やセンサ駆動回路、またはカットオフ周波数の低いローパスフィルタが必要となるため、コストの増加や直動アクチュエータ１４の駆動速度の低下といった問題が生じる。これに対し、上記磁気式荷重センサ１では、複雑な防湿構造が不要であり、また、電気的ノイズを除去するための複雑な絶縁構造が不要である。

上記磁気ターゲット４と磁気センサ５にかえて、軸方向荷重に応じて圧力が変化する液圧室と、その液圧室の圧力を計測する液圧センサとを設けることが考えられるが、このようにすると、万一、液圧室の作動液が漏れた場合、液圧センサの出力がアクチュエータ１４の軸方向荷重に対応しなくなるので、長期にわたって信頼性を確保するのが難しい。また、高い信頼性をもって液圧室の液密状態を確保しようとすると、温度変化に対応したシール構造が高価であるという問題がある。また液圧室内の作動液の温度を正確に把握するために複雑な構造が必要である。これに対し、上記磁気式荷重センサ１では、長期にわたって信頼性を確保することが容易であり、高価なシール構造も不要である。

上記磁気ターゲット４と磁気センサ５にかえて、レーザ変位センサを用いると、油脂類などに対するシール構造が必要となり、またセンサの設置条件も制限される。これに対し、上記磁気式荷重センサ１では、油脂類などに対するシール構造が不要である。

上記磁気式荷重センサ１は、磁気センサ５の出力信号が、磁気ターゲット４と磁気センサ５の軸方向の相対変位に対しては急峻に変化し、軸方向以外の方向の相対変位に対してはあまり変化しないという軸方向の指向性を示す。そのため、磁気センサ５の出力信号が外部振動の影響を受けにくく、安定した精度で直動アクチュエータ１４の軸方向荷重の大きさを検出することができる。

直動アクチュエータ１４の軸方向荷重の大きさを検出する方法として、外輪部材２５が摩擦パッド２２を軸方向前方に押圧するときの外輪部材２５の軸方向変位に基づいて摩擦パッド２２に対する軸方向荷重を推定する方法があるが、この方法では、摩擦パッド２２の摩耗等による外輪部材２５の原点位置の変動を把握するために別途のセンサが必要となり、構造が複雑になってしまう。これに対し、磁気式荷重センサ１では、外輪部材２５が摩擦パッド２２を軸方向前方に押圧するときの反力によるフランジ部材２のたわみの大きさから摩擦パッド２２に対する軸方向荷重を検出するので、摩擦パッド２２の摩耗等により外輪部材２５の原点位置が変動しても、磁気式荷重センサ１が検出する軸方向荷重に影響しない。そのため、外輪部材２５の原点位置を把握するためのセンサが不要であり、構造が単純で済む。

上記実施形態では、回転軸２３の回転を直動部材（ここでは外輪部材２５）の軸方向移動に変換する直動機構として、回転軸２３の外周の円筒面に転がり接触する複数の遊星ローラ２４と、遊星ローラ２４を自転可能かつ公転可能に保持し、軸方向移動を規制されたキャリヤ２６と、複数の遊星ローラ２４を囲むように配置された外輪部材２５と、外輪部材２５の内周に設けられた螺旋凸条３４と、螺旋凸条３４と係合するように各遊星ローラ２４の外周に設けられた螺旋溝または円周溝３５とからなる遊星ローラ機構を例に挙げて説明したが、この発明は、他の構成の直動機構を採用した直動アクチュエータにも同様に適用することができる。

例えば、直動機構としてボールねじ機構を採用した直動アクチュエータの例を図１０に示す。以下、上記実施形態に対応する部分は、同一の符号を付して説明を省略する。

図１０において、直動アクチュエータは、回転軸２３と、回転軸２３と一体に設けられたねじ軸５０と、ねじ軸５０を囲むように設けられたナット５１と、ねじ軸５０の外周に形成されたねじ溝５２とナット５１の内周に形成されたねじ溝５３の間に組み込まれた複数のボール５４と、ナット５１のねじ溝５３の終点から始点にボール５４を戻す図示しないリターンチューブと、ナット５１の軸方向後方に配置された磁気式荷重センサ１とを有する。

ナット５１は、キャリパボディ１９の対向片１７に設けられた収容孔２０内に、キャリパボディ１９に対して回り止めされた状態で軸方向にスライド可能に収容されている。ねじ軸５０の軸方向後端にはねじ軸５０と一体に回転する間座４０が設けられ、その間座４０がスラスト軸受４１を介して磁気式荷重センサ１で支持されている。ここで、磁気式荷重センサ１は、間座４０とスラスト軸受４１とねじ軸５０とを介してナット５１を軸方向に支持することで、ナット５１の軸方向後方への移動を規制している。

この直動アクチュエータは、回転軸２３を回転させることによって、ねじ軸５０とナット５１を相対回転させ、ナット５１を軸方向前方に移動させて摩擦パッド２２に軸方向荷重を印加する。このとき、ねじ軸５０には、軸方向後方への反力が作用し、その反力は、間座４０、スラスト軸受４１を介して磁気式荷重センサ１で受け止められる。そして、その反力によって磁気式荷重センサ１のフランジ部材２が軸方向後方にたわみ、磁気ターゲット４と磁気センサ５の相対位置が変化する。そのため、上記実施形態と同様、磁気センサ５の出力信号が摩擦パッド２２に印加される軸方向荷重の大きさに応じて変化し、この磁気センサ５の出力信号に基づいて、摩擦パッド２２の押圧力を検出することができる。

また、直動機構としてボールランプ機構を採用した直動アクチュエータを適用した例を図１１に示す。

図１１において、直動アクチュエータは、回転軸２３と、回転軸２３の外周に回り止めされた回転ディスク６０と、回転ディスク６０の軸方向前方に対向して配置された直動ディスク６１と、回転ディスク６０と直動ディスク６１の間に挟まれた複数のボール６２と、直動ディスク６１の軸方向後方に配置された磁気式荷重センサ１とを有する。

直動ディスク６１は、キャリパボディ１９の対向片１７に設けられた収容孔２０内に、キャリパボディ１９に対して回り止めされた状態で軸方向にスライド可能に収容されている。回転ディスク６０の軸方向後端には回転ディスク６０と一体に回転する間座４０が設けられ、その間座４０がスラスト軸受４１を介して磁気式荷重センサ１で支持されている。ここで、磁気式荷重センサ１は、間座４０とスラスト軸受４１とを介して回転ディスク６０を軸方向に支持することで回転ディスク６０の軸方向後方への移動を規制している。

図１１、図１２に示すように、回転ディスク６０の直動ディスク６１に対する対向面６０ａには、周方向の一方向に沿って深さが次第に浅くなる傾斜溝６３が形成され、直動ディスク６１の回転ディスク６０に対する対向面６１ａには、周方向の他方向に沿って深さが次第に浅くなる傾斜溝６４が形成されている。図１３（ａ）に示すように、ボール６２は、回転ディスク６０の傾斜溝６３と直動ディスク６１の傾斜溝６４の間に組み込まれており、図１３（ｂ）に示すように、直動ディスク６１に対して回転ディスク６０が相対回転すると、傾斜溝６３，６４内をボール６２が転動して、回転ディスク６０と直動ディスク６１の間隔が拡大するようになっている。

この直動アクチュエータは、回転軸２３を回転させることによって、直動ディスク６１と回転ディスク６０を相対回転させて、直動ディスク６１を軸方向前方に移動させて摩擦パッド２２に軸方向荷重を印加する。このとき、回転ディスク６０には、軸方向後方への反力が作用し、その反力は、間座４０、スラスト軸受４１を介して磁気式荷重センサ１で受け止められる。そして、その反力によって磁気式荷重センサ１のフランジ部材２が軸方向後方にたわみ、磁気ターゲット４と磁気センサ５の相対位置が変化する。そのため、上記実施形態と同様、磁気センサ５の出力信号が摩擦パッド２２に印加される軸方向荷重の大きさに応じて変化し、この磁気センサ５の出力信号に基づいて、摩擦パッド２２の押圧力を検出することができる。

また、上述した各直動機構のほか、磁気浮上式の非接触アクチュエータや、ボイスコイルモータ等を用いてもよい。

また、図１４に示すように、電動モータ２７の回転が入力される回転軸２３と、その回転軸２３の回転を直動部材７０の軸方向移動に変換する直動機構７１とを有し、その直動機構７１の直動部材７０で対象物７２に軸方向荷重を印加する直動アクチュエータにおいて、前記直動部材７０と対象物７２の間に上記磁気式荷重センサ１を配置してもよい。

また、図１５に示すように、電動モータ２７の回転が入力される回転軸２３と、その回転軸２３の回転を直動部材７０の軸方向移動に変換する直動機構７１とを有し、その直動機構７１の直動部材７０で対象物７２に軸方向荷重を印加する直動アクチュエータにおいて、直動機構７１を後方から支持する部材として上記磁気式荷重センサ１を配置してもよい。

図１６は、電動モータ２７にかえて、圧力発生装置７３を動力源として直動部材７０を軸方向に駆動する直動機構７１を使用した模式図である。圧力発生装置７３から動力を伝達する媒体は油や空気を用いることが可能であり、配管７４を通じて密室７５の圧力を調整することにより直動部材７０が軸方向移動する。図１６では、直動機構７１を後方から支持する部材として磁気式荷重センサ１を配置しているが、図１４と同様に直動部材７０と対象物７２の間に磁気式荷重センサ１を配置してもよい。

上記実施形態では、磁気式荷重センサ１を軸方向の圧縮荷重を検出するセンサとして用いた例を説明したが、軸方向の引張荷重を検出するセンサとして使用してもよい。また、磁気センサ５の出力は電圧出力のほか、電流などの他のアナログ出力としてもよく、ＰＷＭデューティ比やシリアル・パラレル通信などの所定プロトコルに準ずるディジタル出力でもよい。

図１７（ａ）（ｂ）は、直動アクチュエータが圧縮・引張の両方向に選択的に軸方向荷重を印加するものである場合、その軸方向荷重の大きさを単一の磁気センサ５を用いて検出する例である。フランジ部材２の外周部と支持部材３の外周部がいずれも固定された状態で、フランジ部材２と支持部材３は、軸方向の両側から直動アクチュエータの荷重の作用する部材７６で拘束されており、直動アクチュエータが印加する荷重の方向が反転したときに、磁気ターゲット４と磁気センサ５の相対位置の変化の方向は変わらない。

図１８（ａ）（ｂ）は、直動アクチュエータが圧縮・引張の両方向に選択的に軸方向荷重を印加するものである場合、その軸方向荷重の大きさに加えて、荷重の方向を単一の磁気センサ５を用いて検出する例である。フランジ部材２の外周部と支持部材３の外周部がいずれも固定された状態で、フランジ部材２が軸方向の両側から直動アクチュエータの荷重の作用する部材７６で拘束されており、直動アクチュエータが印加する荷重の方向が反転したときに、磁気ターゲット４と磁気センサ５の相対位置の変化の方向が変わる。そのため、軸方向荷重の大きさに加えて、荷重の方向を検出することが可能である。

図１８（ａ）（ｂ）に示す例において、荷重の方向が反転する際、フランジ部材２に対する荷重作用点が切り替わることによって、荷重とセンサ出力との相関に非線形性を生じる可能性がある。そこで、図１９に示すように、複数の磁気ターゲット４と磁気センサ５をあらかじめ非線形性を打ち消すように圧縮側と引張側とで一対配置し、荷重の方向によって使用するセンサを切り換えると、荷重の線形推定が可能となる。もしくは、単一のセンサのみ配置し、荷重の方向が反転する際の非線形性を補完するアルゴリズムを適用してもよい。

図２０は、フランジ部材２と支持部材３の外周部の相互間にねじ結合によって定常予圧を与えてギャップスペースを無くすことで、荷重の方向が反転する際の非線形性を除去した例である。この他にも、ねじ結合の部分を、圧入やかしめ等によりギャップを無くしてもよく、十分な硬さを有するばね材を用いてもよく、またこれらの部材を一体化してもよい。

図２１に、直動アクチュエータの印加する荷重を、磁気センサ５の出力信号から推定する方法を示す。直動アクチュエータが荷重Ｆを印加した際、磁気ターゲット４と磁気センサ５の相対位置が変位することにより、磁気センサ５の出力信号が変化する。また、磁気ターゲット４の温度に対する磁気特性を補償することにより、最終的に温度条件に依存しない荷重推定が可能となる。温度補償の手段として、例えばホールＩＣのような、予め温度補償機能を有する磁気センサ５を使用し、その磁気センサ５の出力から直動アクチュエータの荷重を推定してもよい。

上記実施形態では、磁気ターゲット４と磁気センサ５の相対位置の変化量を高精度に検出するため、磁気ターゲット４の磁化方向が磁気ターゲット４と磁気センサ５の相対変位方向と直交するように磁石を配置したが、磁気ターゲット４の磁化方向が磁気ターゲット４と磁気センサ５の相対変位方向と平行となるように磁石を配置し、その磁石の磁極に対して、磁気ターゲット４と磁気センサ５の相対変位方向に対向するように磁気センサ５を配置してもよい。

上記実施形態では、フランジ部材２の外径側部分を支持部材３で支持し、そのフランジ部材２の内径側部分が軸方向荷重に応じてたわむようにしたが、内径側と外径側を反対の構成としてもよい。すなわち、フランジ部材２の内径側部分を支持部材３で支持し、そのフランジ部材２の外径側部分が軸方向荷重に応じてたわむようにしてもよい。

１ 磁気式荷重センサ
２ フランジ部材
３ 支持部材
４ 磁気ターゲット
５ 磁気センサ
６ 筒部
９ 環状突起
１１ 永久磁石
１２，１３ 位置決め溝
１４ 直動アクチュエータ
２２ 摩擦パッド
２３ 回転軸
２７ 電動モータ
７０ 直動部材
７１ 直動機構
７２ 対象物

Claims (12)

1. 直動アクチュエータ（１４）が対象物（２２）に印加する軸方向荷重の大きさを検出する直動アクチュエータ用の磁気式荷重センサ（１）であって、磁界を発生する磁気ターゲット（４）と、その磁気ターゲット（４）に対する相対位置が前記軸方向荷重に応じて変化するように配置された磁気センサ（５）とからなり、
   前記軸方向荷重が入力されてたわみを生じるフランジ部材（２）と、そのフランジ部材（２）の外径側部分または内径側部分を前記たわみの支点として支持する環状の支持部材（３）とを設け、
   前記フランジ部材（２）の外径側部分と内径側部分のうち前記支持部材（３）で支持される側とは反対側の部分と、支持部材（３）とのうちの一方に前記磁気ターゲット（４）を固定し、他方に前記磁気センサ（５）を固定することで、前記フランジ部材（２）にせん断荷重が作用することによって生じる前記フランジ部材（２）のたわみの大きさから前記軸方向荷重を検出し、
   前記フランジ部材（２）の前記支持部材（３）で支持された位置と、前記磁気ターゲット（４）および前記磁気センサ（５）による前記フランジ部材（２）の変位検出位置との間の距離が、前記フランジ部材（２）の前記支持部材（３）で支持された位置と、前記フランジ部材（２）に軸方向荷重が入力される位置との間の距離よりも大きい、
   直動アクチュエータ用の磁気式荷重センサ。
2. 前記磁気ターゲット（４）が、前記磁気ターゲット（４）と磁気センサ（５）の相対変位方向に対して直交する方向に磁化されたＮ極とＳ極を、前記磁気ターゲット（４）と磁気センサ（５）の相対変位方向に隣接して配置したものであり、その隣り合う磁極の境目の近傍に前記磁気センサ（５）を配置した請求項１に記載の直動アクチュエータ用の磁気式荷重センサ。
3. 前記磁気ターゲット（４）が、前記磁気ターゲット（４）と磁気センサ（５）の相対変位方向に対して直交する方向を磁化方向とする複数の永久磁石（１１）を、反対の極性を有する磁極が前記磁気ターゲット（４）と磁気センサ（５）の相対変位方向に並ぶように配置したものであり、その隣り合う磁極の境目の近傍に前記磁気センサ（５）を配置した請求項１または２に記載の直動アクチュエータ用の磁気式荷重センサ。
4. 前記フランジ部材（２）と支持部材（３）を円環板状に形成し、そのフランジ部材（２）と支持部材（３）のうちの一方の部材に、他方の部材の内径面と対向する外径面をもつ筒部（６）を設け、その内径面と外径面のうちの一方に前記磁気ターゲット（４）を固定し、他方に前記磁気センサ（５）を固定した請求項２または３に記載の直動アクチュエータ用の磁気式荷重センサ。
5. 前記フランジ部材（２）と支持部材（３）の外周部にその両部材（２，３）の周方向の相対位置を位置決めする位置決め手段（１２，１３）を設けた請求項１から４のいずれかに記載の直動アクチュエータ用の磁気式荷重センサ。
6. 前記磁気センサ（５）としてホールＩＣを使用した請求項１から５のいずれかに記載の直動アクチュエータ用の磁気式荷重センサ。
7. 前記磁気センサ（５）として磁気抵抗素子を使用した請求項１から５のいずれかに記載の直動アクチュエータ用の磁気式荷重センサ。
8. 前記磁気センサ（５）として磁気インピーダンス素子を使用した請求項１から５のいずれかに記載の直動アクチュエータ用の磁気式荷重センサ。
9. 前記磁気ターゲット（４）にネオジム磁石を使用した請求項１から８のいずれかに記載の直動アクチュエータ用の磁気式荷重センサ。
10. 電動モータ（２７）の回転が入力される回転軸（２３）と、その回転軸（２３）の回転を直動部材（７０）の軸方向移動に変換する直動機構（７１）とを有し、その直動機構（７１）で対象物（７２）に軸方向荷重を印加する直動アクチュエータにおいて、前記軸方向荷重を対象物（２２）に印加するときに直動機構（７１）に作用する反力を受け止める部材として請求項１から９のいずれかに記載の磁気式荷重センサを組み込んだ直動アクチュエータ。
11. 電動モータ（２７）の回転が入力される回転軸（２３）と、その回転軸（２３）の回転を直動部材（７０）の軸方向移動に変換する直動機構（７１）とを有し、その直動機構（７１）の直動部材（７０）で対象物（７２）に軸方向荷重を印加する直動アクチュエータにおいて、前記直動部材（７０）と対象物（７２）の間に請求項１から９のいずれかに記載の磁気式荷重センサを組み込んだ直動アクチュエータ。
12. 前記磁気センサ（５）の出力信号を用いて前記軸方向荷重をフィードバック制御する請求項１０または１１に記載の直動アクチュエータ。

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