JP2016050902A - 荷重センサ、電動式直動アクチュエータおよび電動ブレーキ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車両用ブレーキ装置に好適な荷重センサを提供する。
【解決手段】外部から軸方向荷重が入力されて弾性変形を生じる弾性部材２と、弾性部材２の変形量に応じた信号を出力する荷重検出部４ａ，４ｂとを有する。第１の荷重検出部４ａは、弾性部材２に入力される軸方向荷重の大きさが所定の上限値Ｆａよりも小さい第１の荷重領域Ｌａで、弾性部材２の変形量に応じた信号Ｖａを出力する。第２の荷重検出部４ｂは、第１の荷重領域Ｌａの上限値Ｆａよりも大きい軸方向荷重を含む第２の荷重領域Ｌｂで、弾性部材２の変形量に応じた信号Ｖｂを出力する。第１の荷重検出部４ａおよび第２の荷重検出部４ｂは、第１の荷重検出部４ａが第２の荷重検出部４ｂよりも高い検出分解能を有するように構成されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、荷重センサ、その荷重センサを用いた電動式直動アクチュエータおよび電動ブレーキ装置に関する。

車両用ブレーキ装置として、油圧シリンダで摩擦パッド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、電動モータの回転を直動部材の軸方向移動に変換し、その直動部材で摩擦パッドを軸方向前方に押圧し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、電動ブレーキ装置には、摩擦パッドに印加する軸方向荷重の反力を受ける部分に荷重センサを組み込むことが多い。そして、この荷重センサの出力に基づいて、運転者のペダル操作や車両の状態に応じた適切な制動力が発生するように、電動モータが制御される。

上記のような電動ブレーキ装置に組み込まれる荷重センサとして、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１〜３に記載の荷重センサはいずれも、外部から軸方向荷重が入力されて弾性変形を生じる弾性部材と、その弾性部材の変形量に応じた信号を出力する単一の磁気センサ部とを有し、その磁気センサ部の出力に基づいて軸方向荷重の大きさを算出するものである。

特開２０１３−２５７０００号公報 特開２０１４−０１６３０７号公報 特開２０１４−１３４４５０号公報

ところで、運転者がブレーキペダルを操作して車両を減速するとき、減速度が０．２Ｇ以下の通常制動時には、運転者は、車両の挙動に応じてペダルを細かく操作していると考えられるので、細かな荷重制御が必要とされる。一方、減速度が０．３Ｇを超えるような急制動時には、短時間で大きな制動力を発生する必要があるものの、細かな荷重制御は必要とされない。

一方、車両用ブレーキ装置に特許文献１〜３の荷重センサを採用すると、単一の磁気センサ部を用いて全荷重領域の荷重を検出することとなるため、通常制動時において、運転者の細かなペダル操作に対応するのに十分な荷重の検出分解能を得ることができず、その結果、車両の挙動に違和感が生じるおそれがあった。

そこで、検出分解能が高く、しかも車両用ブレーキ装置の全荷重領域にわたって荷重を検出可能な荷重センサを使用することも可能であるが、そのような荷重センサはコストが高いという問題がある。

この発明が解決しようとする課題は、車両用ブレーキ装置に好適な荷重センサを提供することである。

上記の課題を解決するため、この発明では、以下の構成の荷重センサを提供する。
外部から軸方向荷重が入力されて弾性変形を生じる弾性部材と、
その弾性部材の変形量に応じた信号を出力する２つ以上の荷重検出部とを有し、
前記２つ以上の荷重検出部は、
前記弾性部材に入力される軸方向荷重の大きさが所定の上限値よりも小さい第１の荷重領域で、前記弾性部材の変形量に応じた信号を出力する第１の荷重検出部と、
前記第１の荷重領域の上限値よりも大きい軸方向荷重を含む第２の荷重領域で、前記弾性部材の変形量に応じた信号を出力する第２の荷重検出部とを含み、
前記第１の荷重検出部および第２の荷重検出部は、第１の荷重検出部が第２の荷重検出部よりも高い検出分解能を有するように構成されている荷重センサ。

このようにすると、軸方向荷重の大きさが小さい第１の荷重領域では、高い検出分解能を有する第１の荷重検出部で荷重を検出することができる。そのため、この荷重センサを車両用ブレーキ装置に使用すると、減速度が比較的小さい通常制動時には、運転者の細かなペダル操作に対応するのに十分な荷重の検出分解能を得ることが可能である。一方、減速度が比較的大きい急制動時には、第２の荷重検出部で、第１の荷重領域の上限値よりも大きい軸方向荷重を検出することが可能である。

前記第２の荷重領域は、前記第１の荷重領域と少なくとも一部重複するように設定すると好ましい。

このようにすると、前記第１の荷重領域の上限値をまたがる連続した荷重領域において軸方向荷重を検出することができる。

前記第１の荷重領域は、前記弾性部材に入力される軸方向荷重の大きさがゼロから前記上限値までの領域とし、
前記第２の荷重領域は、前記弾性部材に入力される軸方向荷重の大きさがゼロから前記上限値の２倍以上の大きさの上限値までの領域とすると好ましい。

このようにすると、第１の荷重領域では、第１の荷重検出部と第２の荷重検出部の両方で軸方向荷重を検出することができる。そのため、第１の荷重検出部と第２の荷重検出部のいずれか一方の荷重検出部が故障したときにも、他方の荷重検出部で第１の荷重領域の軸方向荷重を検出可能であり、優れた冗長性を得ることができる。

前記２つ以上の荷重検出部は、前記弾性部材に対する軸方向荷重の作用中心まわりに円周方向に等間隔となるように配置すると好ましい。

このようにすると、外部から弾性部材に入力される軸方向荷重が偏荷重になったときにも、各荷重検出部から出力される信号を併用することで、偏荷重の影響を排除することが可能となる。

また、前記第１の荷重検出部と第２の荷重検出部から出力されるそれぞれの信号が入力され、その各信号に基づいて前記第１の荷重検出部での荷重値と第２の荷重検出部での荷重値とをそれぞれ算出し、前記第１の荷重領域では、前記第１の荷重検出部での荷重値と第２の荷重検出部での荷重値とを平均したものを前記軸方向荷重の大きさとして出力する制御部を設けると好ましい。

このようにすると、外部から弾性部材に入力される軸方向荷重が偏荷重になったときにも、偏荷重の影響を排除することが可能となる。

前記第１の荷重検出部として、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弾性部材の変形量に応じて変化するように配置された磁気センサ部とからなるものを採用し、
前記磁気ターゲットとして、前記弾性部材の変形による磁気ターゲットと磁気センサ部の相対変位方向に対して直交する方向に磁化された２つの永久磁石を、一方の永久磁石のＮ極と他方の永久磁石のＳ極が前記磁気ターゲットと磁気センサ部の相対変位方向に隣接するように配置したものを採用し、
前記磁気センサ部を、前記隣接するＮ極とＳ極の境目の近傍に配置すると好ましい。

このようにすると、Ｎ極とＳ極の境目の近傍に高密度の磁束が生じ、この磁束が磁気センサ部を貫く状態となる。そのため、磁気ターゲットと磁気センサ部の微小な相対移動に応じて、磁気センサ部の出力信号が急峻に変化し、その結果、高い検出分解能を実現することが可能となる。また、磁気センサ部の出力信号は、弾性部材の変形による磁気ターゲットと磁気センサ部の相対変位に対して急峻に変化し、一方、それ以外の磁気ターゲットと磁気センサ部の相対変位に対してはあまり変化しないという指向性が生じるため、磁気センサ部の出力信号が外部振動の影響を受けにくく、安定した精度で荷重の大きさを検出することが可能となる。

また、この発明では、上記荷重センサを使用した電動式直動アクチュエータとして、以下の構成のものを提供する。
電動モータと、その電動モータの回転を直動部材の軸方向移動に変換する運動変換機構とを有する電動式直動アクチュエータにおいて、
前記直動部材で対象物を軸方向前方に押圧したときに直動部材に作用する軸方向後方への反力を受ける部分に、上記荷重センサを組み込んだことを特徴とする電動式直動アクチュエータ。

前記運動変換機構としては、前記電動モータの回転が入力される回転軸と、その回転軸の外径面に転がり接触する複数の遊星ローラと、その複数の遊星ローラを自転可能かつ公転可能に保持するキャリヤと、前記複数の遊星ローラを囲むように配置された前記直動部材としての外輪部材と、その外輪部材の内径面に設けられた螺旋凸条と、その螺旋凸条と係合するように前記各遊星ローラの外径面に設けられた螺旋溝または円周溝とを有するものを採用することができる。この場合、前記弾性部材は、前記キャリヤをスラスト軸受を介して支持することで前記キャリヤの軸方向後方への移動を規制する部材とすることができる。

また、この発明では、上記荷重センサを使用した電動ブレーキ装置として、以下の構成のものを提供する。
電動モータと、その電動モータの回転を直動部材の軸方向移動に変換する運動変換機構とを有し、前記直動部材で摩擦パッドを軸方向前方に押圧して制動力を発生する電動ブレーキ装置において、
前記直動部材で摩擦パッドを軸方向前方に押圧したときに直動部材に作用する軸方向後方への反力を受ける部分に、上記荷重センサを組み込んだことを特徴とする電動ブレーキ装置。

この発明の荷重センサは、軸方向荷重の大きさが小さい第１の荷重領域では、高い検出分解能を有する第１の荷重検出部が荷重を検出する。そのため、この荷重センサを車両用ブレーキ装置に使用すると、減速度が比較的小さい通常制動時には、運転者の細かなペダル操作に対応するのに十分な荷重の検出分解能を得ることが可能である。一方、減速度が比較的大きい急制動時には、第２の荷重検出部で、第１の荷重領域の上限値よりも大きい軸方向荷重を検出することが可能である。したがって、この発明の荷重センサは、車両用ブレーキ装置に好適である。

この発明の実施形態の荷重センサを示す断面図 図１に示す荷重センサを軸方向前側から見た図 図１に示す荷重センサの第１の荷重検出部の近傍の拡大断面図 弾性部材に入力する軸方向荷重の大きさと磁気センサ部で検出される磁束との対応関係を示す図 各荷重検出部の磁気センサ部の出力信号に基づいて軸方向荷重の大きさを算出する制御部のブロック図 各荷重検出部の磁気センサ部の出力信号と荷重値との対応関係を示す図 図１に示す荷重センサに偏荷重が作用した状態を模式的に示す図 図７に示す状態での各荷重検出部の磁気センサ部の出力信号と荷重値との対応関係を示す図 図４に示す第２の荷重領域Ｌｂを、第１の荷重領域Ｌａと一部のみ重複するように変更した例を示す図 図３に示す磁気ターゲットと磁気センサ部の配置を変更した例を示す拡大断面図 図１に示す荷重センサを使用した車両用の電動ブレーキ装置を示す断面図 図１１の直動アクチュエータ近傍の拡大断面図 図１２のXIII−XIII線に沿った断面図 図１２に示す遊星ローラ機構にかえてボールねじ機構を運動変換機構として採用した電動ブレーキ装置を示す断面図 図１２に示す遊星ローラ機構にかえてボールランプ機構を運動変換機構として採用した電動ブレーキ装置を示す断面図 図１５のXVI−XVI線に沿った断面図 （ａ）は図１６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

図１〜図３に、この発明の実施形態の荷重センサ１を示す。この荷重センサ１は、軸方向前方から荷重が入力されて弾性変形を生じる弾性部材２と、弾性部材２を軸方向後方から支持する静止部材３と、弾性部材２の変形量に応じた信号を出力する第１の荷重検出部４ａおよび第２の荷重検出部４ｂとを有する。

弾性部材２は、鉄等の金属で形成された円環板状の部材である。弾性部材２の軸方向前面には、軸方向荷重が入力される荷重入力部５が設けられている。図では、荷重入力部５は、後述のスラスト軸受４３（図１２参照）の転動体の転走面とされている。弾性部材２の軸方向後面には、静止部材３で支持される被支持部６が設けられている。

静止部材３は、弾性部材２と同一の金属で形成されている。静止部材３は、弾性部材２の被支持部６を軸方向後方から支持する環状の支持部７と、弾性部材２の外周に嵌合するように支持部７の外径側に形成された嵌合筒部８と、弾性部材２の内径側に対向するように設けられた円筒部９と、弾性部材２の軸方向後方で円筒部９と支持部７の間を連結する連結部１０とを有する。嵌合筒部８の内周と弾性部材２の外周の間には締め代が設定されている。この締め代によって、弾性部材２が静止部材３と一体化し、磁気式荷重センサ１の取り扱いが容易となっている。

弾性部材２の被支持部６は、荷重入力部５よりも径方向外方にずれた位置に配置されている。これにより、弾性部材２は、荷重が入力されたときに被支持部６の位置を支点として軸方向後方にたわみ変形を生じるようになっている。

図２に示すように、第１の荷重検出部４ａと第２の荷重検出部４ｂは、円周方向に１８０度ずれた位置に設けられ、弾性部材２の中心（すなわち弾性部材２に対する軸方向荷重の作用中心）まわりに円周方向に等間隔となるように配置されている。第１の荷重検出部４ａは、磁束を発生する磁気ターゲット１１ａと、磁気ターゲット１１ａが発生する磁束を検出する磁気センサ部１２ａとからなる。

第１の荷重検出部４ａと第２の荷重検出部４ｂは、同様の構成なので、第１の荷重検出部４ａの構成を以下に説明し、第２の荷重検出部４ｂについては、第１の荷重検出部４ａに対応する部分に同一の符号または末尾のアルファベットａをｂに置き換えた符号を付して説明を省略する。

図３に示すように、磁気ターゲット１１ａは、弾性部材２の内周に固定されている。磁気センサ部１２ａは、磁気ターゲット１１ａと径方向に対向するように静止部材３の円筒部９の外周に固定されている。磁気ターゲット１１ａは、弾性部材２のたわみによる磁気ターゲット１１ａと磁気センサ部１２ａの相対変位方向である軸方向に対して直交する方向（ここでは半径方向）に磁化された２個の永久磁石１３からなる。２個の永久磁石１３は、一方の永久磁石１３のＮ極と他方の永久磁石１３のＳ極が軸方向に隣接するように配置されている。

永久磁石１３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束を発生させることができるが、サマリウムコバルト磁石、サマリウム窒化鉄磁石、アルニコ磁石、フェライト磁石、プラセオジム磁石、などを使用してもよい。サマリウムコバルト磁石、サマリウム窒化鉄磁石、またはアルニコ磁石を使用すると、永久磁石１３の温度上昇に伴う磁束の減少を抑えることができる。また、プラセオジム磁石を使用すると、永久磁石１３の機械的強度を向上することができる。

磁気センサ部１２ａは、２個の永久磁石１３の隣接するＮ極とＳ極の境目の近傍で、磁気ターゲット１１ａ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。磁気センサ部１２ａ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車両用の電動ブレーキの用途に好適である。

図１の矢印に示すように、軸方向前方から後方に向かう軸方向荷重が弾性部材２に入力されると、その軸方向荷重によって弾性部材２が外径側端部を支点として軸方向後方にたわみ、このたわみに伴い、磁気ターゲット１１ａと磁気センサ部１２ａが軸方向に相対変位し、磁気センサ部１２ａの出力信号が弾性部材２のたわみ量に応じて変化する。そのため、弾性部材２に入力される軸方向荷重の大きさと、磁気センサ部１２ａの出力信号との関係を予め把握しておくことにより、磁気センサ部１２ａの出力信号に基づいて弾性部材２に入力される軸方向荷重の大きさを検出することができる。

第１の荷重検出部４ａの磁気センサ部１２ａは、フルスケール（磁気検出範囲）に対し１６ｂｉｔ（４０９６段階）の分解能をもつセンサである。図４に示すように、磁気センサ部１２ａのフルスケールＳａは、弾性部材２に入力される軸方向荷重の大きさが第１の荷重領域Ｌａで変動するときの磁束の変動範囲となるように設定される。

第２の荷重検出部４ｂの磁気センサ部１２ｂも、フルスケール（磁気検出範囲）に対し１６ｂｉｔ（４０９６段階）の分解能をもつセンサである。磁気センサ部１２ｂのフルスケールＳｂは、弾性部材２に入力される軸方向荷重の大きさが第２の荷重領域Ｌｂで変動するときの磁束の変動範囲となるように設定される。

第１の荷重領域Ｌａは、軸方向荷重の大きさがゼロから上限値Ｆａまでの領域である。第２の荷重領域Ｌｂは、軸方向荷重の大きさがゼロから上限値Ｆｍａｘまでの領域である。ここで、第２の荷重領域Ｌｂは、第１の荷重領域Ｌａの上限値Ｆａよりも大きい軸方向荷重を含むような範囲とされ、第２の荷重領域Ｌｂの上限値Ｆｍａｘは、第１の荷重領域Ｌａの上限値の２倍以上の大きさに設定されている。この実施形態では、第２の荷重領域Ｌｂの上限値Ｆｍａｘは、車両用ブレーキ装置で発生しうる最大荷重の大きさとされている。

第１の荷重検出部４ａの磁気センサ部１２ａのフルスケールＳａを、第２の荷重検出部４ｂの磁気センサ部１２ｂのフルスケールＳｂの１／３に設定した場合、第１の荷重検出部４ａによる荷重の検出分解能は、第２の荷重検出部４ｂによる荷重の検出分解能の３倍となる。例えば、第１の荷重検出部４ａの磁気センサ部１２ａのフルスケールＳａが１０ｋＮ、第２の荷重検出部４ｂの磁気センサ部１２ｂのフルスケールＳｂが３０ｋＮとすると、第１の荷重検出部４ａによる荷重の検出分解能はフルスケールＳａの４０９６分の１に相当する約２．４Ｎ、第２の荷重検出部４ｂによる荷重の検出分解能はフルスケールＳｂの４０９６分の１に相当する約７．３Ｎとなり、第１の荷重検出部４ａは第２の荷重検出部４ｂの３倍の検出分解能を有することとなる。

この荷重センサ１を車両用の電動ブレーキ装置に使用する場合、第１の荷重領域Ｌａは、車両用ブレーキとしての使用頻度の高い通常制動時の減速度０〜０．２Ｇを発生させる荷重の範囲に設定し、第２の荷重領域Ｌｂは、車両用ブレーキで発生しうる全荷重領域に設定することができる。

図５に示すように、磁気センサ部１２ａ，１２ｂは制御部１４に電気的に接続され、磁気センサ部１２ａから出力される信号と、磁気センサ部１２ｂから出力される信号とがそれぞれ制御部１４に入力されるようになっている。制御部１４には、図６に示すように、各磁気センサ部１２ａ，１２ｂの出力信号と荷重値との対応関係が予め設定されている。制御部１４は、例えば、後述の電動ブレーキ装置の電動モータ２９（図１１参照）を制御する電子制御装置であり、磁気センサ部１２ａ，１２ｂの出力信号Ｖａ，Ｖｂに基づいて出力される荷重値に基づいて電動モータ２９を制御する。

制御部１４は、磁気センサ部１２ａの出力信号Ｖａに基づいて第１の荷重検出部４ａでの荷重値ｆａを算出するとともに、磁気センサ部１２ｂの出力信号Ｖｂに基づいて第２の荷重検出部４ｂでの荷重値ｆｂを算出する。そして、第１の荷重検出部４ａでの荷重値ｆａと第２の荷重検出部４ｂでの荷重値ｆｂとがいずれも第１の荷重領域Ｌａにあるとき、第１の荷重検出部４ａでの荷重値ｆａと第２の荷重検出部４ｂでの荷重値ｆｂとを平均したものを軸方向荷重の大きさとして出力する。一方、第１の荷重検出部４ａでの荷重値ｆａまたは第２の荷重検出部４ｂでの荷重値ｆｂが第１の荷重領域Ｌａの上限値Ｆａを超えるときは、第２の荷重検出部４ｂでの荷重値ｆｂをそのまま軸方向荷重の大きさとして出力する。

この荷重センサ１は、軸方向荷重の大きさが小さい第１の荷重領域Ｌａでは、高い検出分解能を有する第１の荷重検出部４ａが荷重を検出する。そのため、この荷重センサ１を車両用ブレーキ装置に使用すると、減速度が比較的小さい通常制動時には、運転者の細かなペダル操作に対応するのに十分な荷重の検出分解能を得ることが可能である。一方、減速度が比較的大きい急制動時には、第２の荷重検出部４ｂで、第１の荷重領域Ｌａの上限値Ｆａよりも大きい軸方向荷重を検出することが可能である。このように、荷重センサ１は車両用ブレーキ装置に好適である。

また、この荷重センサ１は、第１の荷重領域Ｌａでは、第１の荷重検出部４ａと第２の荷重検出部４ｂの両方で軸方向荷重を検出することができる。そのため、第１の荷重検出部４ａと第２の荷重検出部４ｂのいずれか一方の荷重検出部が故障したときにも、他方の荷重検出部で第１の荷重領域Ｌａの軸方向荷重を検出可能であり、優れた冗長性を有する。

また、この荷重センサ１は、弾性部材２に偏荷重（不均一な分布の軸方向荷重）が入力されたときにも、その偏荷重の影響を排除することが可能である。以下説明する。

すなわち、図１の矢印に示すように、弾性部材２に入力される軸方向荷重の分布が、第１の荷重検出部４ａの位置と第２の荷重検出部４ｂの位置とで均一である場合、図６に示すように、第１の荷重検出部４ａの出力信号Ｖａに基づいて算出される荷重値ｆａと、第２の荷重検出部４ｂの出力信号Ｖｂに基づいて算出される荷重値ｆｂとは互いに一致する。

一方、図７の矢印に示すように、弾性部材２に入力される軸方向荷重の分布が不均一であり、その結果、第１の荷重検出部４ａの位置に作用する軸方向荷重が、第２の荷重検出部４ｂの位置に作用する軸方向荷重よりも大きくなる場合、図８に示すように、第１の荷重検出部４ａの出力信号Ｖａに基づいて算出される荷重値ｆａは本来の値ｆよりも大きくなり、第２の荷重検出部４ｂの出力信号Ｖｂに基づいて算出される荷重値ｆｂは本来の値ｆよりも小さくなる。すなわち、弾性部材２に偏荷重が入力されたとき、第１の荷重検出部４ａでの荷重値ｆａと第２の荷重検出部４ｂでの荷重値ｆｂのうち、いずれか一方の荷重値が本来の値ｆよりも大きくなり、他方の荷重値が本来の値ｆよりも小さくなる傾向がある。

このとき、もし仮に第１の荷重検出部４ａと第２の荷重検出部４ｂのいずれか一方のみで荷重を検出するとすれば、弾性部材２に入力される軸方向荷重が偏荷重か否かを知ることはできず、検出される荷重の値も大きな誤差を含んだものとなってしまう。

これに対し、上記の荷重センサ１は、第１の荷重検出部４ａから出力される信号Ｖａに基づいて検出される荷重値ｆａと、第２の荷重検出部４ｂから出力される信号Ｖｂに基づいて検出される荷重値ｆｂとを平均したものを軸方向荷重の大きさとして出力するので、弾性部材２に入力される軸方向荷重が偏荷重になったときにも、荷重センサ１から出力される荷重の大きさが、実際の軸方向荷重の大きさｆと概ね一致し、偏荷重の影響を排除することが可能である。

また、この荷重センサ１は、２つの永久磁石１３をＮ極とＳ極が軸方向に隣接するように並べて配置した磁気ターゲット１１ａと、その隣接するＮ極とＳ極の境目の近傍に配置した磁気センサ部１２ａとを有する荷重検出部４ａ，４ｂを採用しているので、Ｎ極とＳ極の境目の近傍に高密度の磁束が生じ、この磁束が磁気センサ部１２ａを貫く状態となる。そのため、磁気ターゲット１１ａと磁気センサ部１２ａの微小な相対移動に応じて、磁気センサ部１２ａの出力信号が急峻に変化し、その結果、高い検出分解能を実現することが可能である。また、磁気センサ部１２ａの出力信号は、弾性部材２の変形による磁気ターゲット１１ａと磁気センサ部１２ａの相対変位に対して急峻に変化し、一方、それ以外の磁気ターゲット１１ａと磁気センサ部１２ａの相対変位に対してはあまり変化しないという指向性が生じるため、磁気センサ部１２ａの出力信号が外部振動の影響を受けにくく、安定した精度で荷重の大きさを検出することが可能となる。

上記実施形態では、第１の荷重領域Ｌａの全体と重複するように第２の荷重領域Ｌｂを設定したが、図９に示すように、第２の荷重領域Ｌｂは、第１の荷重領域Ｌａと一部のみ重複するように設定してもよい。このようにしても、第１の荷重領域Ｌａの上限値Ｆａをまたがる連続した荷重領域において軸方向荷重を検出することができる。

また、上記実施形態では、弾性部材２に磁気ターゲット１１ａを固定し、静止部材３に磁気センサ部１２ａを固定しているが、この磁気ターゲット１１ａと磁気センサ部１２ａの関係を反対にしてもよい。すなわち、図１０に示すように、弾性部材２に磁気センサ部１２ａを固定し、静止部材３に磁気ターゲット１１ａを固定してもよい。

また、上記実施形態では、２つの荷重検出部４ａ，４ｂを１８０度の間隔となるように設けた荷重センサ１を例に挙げて説明したが、３つ以上の荷重検出部を円周方向に等間隔となるように設けてもよい。

荷重検出部４ａ，４ｂは、例えば歪ゲージなど他の方式で荷重を検出する構成のものを採用してもよい。また、高い検出分解能を有する第１の荷重検出部４ａとして、上記実施形態のように磁気式のものを採用し、全荷重領域において荷重を検出する第２の荷重検出部４ｂとして、歪ゲージを採用することも可能である。

図１１〜図１３に、上記の磁気式荷重センサ１を使用した車両用の電動ブレーキ装置を示す。

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２０を間に挟んで対向する対向片２１，２２をブリッジ２３で連結した形状のキャリパボディ２４と、対向片２１のブレーキディスク２０に対する対向面に開口する収容孔２５に組み込まれた直動アクチュエータ２６と、左右一対の摩擦パッド２７，２８とからなる。

摩擦パッド２７は、対向片２１とブレーキディスク２０の間に設けられており、キャリパボディ２４をブレーキディスク２０に対し軸方向にスライド可能に支持するマウント（図示せず）で、ブレーキディスク２０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２８は反対側の対向片２２に取り付けられている。直動アクチュエータ２６は、電動モータ２９と、その電動モータ２９の回転を外輪部材３０の軸方向移動に変換する運動変換機構３１とを有する。

図１２に示すように、運動変換機構３１は、電動モータ２９の回転が入力される回転軸３２と、その回転軸３２の外径面に転がり接触する複数の遊星ローラ３３と、その複数の遊星ローラ３３を自転可能かつ公転可能に保持するキャリヤ３４と、複数の遊星ローラ３３を囲むように配置された直動部材としての外輪部材３０とを有する。

回転軸３２は、図１１に示す電動モータ２９の回転が歯車３５を介して入力されることにより回転駆動される。回転軸３２は、対向片２１を軸方向に貫通して形成された収容孔２５の軸方向後側の開口から一端が突出した状態で収容孔２５に挿入され、収容孔２５からの突出部分に歯車３５がスプライン嵌合して回り止めされている。歯車３５は、収容孔２５の軸方向後側の開口を塞ぐようにボルトで固定した蓋３６で覆われている。

図１３に示すように、遊星ローラ３３は、回転軸３２の外周の円筒面に転がり接触しており、回転軸３２が回転したときに遊星ローラ３３と回転軸３２の間の摩擦によって遊星ローラ３３も回転するようになっている。遊星ローラ３３は、周方向に一定の間隔をおいて複数設けられている。

図１２に示すように、外輪部材３０は、収容孔２５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３０の軸方向前端には、摩擦パッド２７の背面に形成された係合凸部３７に係合する係合凹部３８が形成され、この係合凸部３７と係合凹部３８の係合によって、外輪部材３０がキャリパボディ２４に対して回り止めされている。

外輪部材３０の内径面には螺旋凸条３９が設けられ、遊星ローラ３３の外径面には、螺旋凸条３９に係合する円周溝４０が設けられており、遊星ローラ３３が回転したときに、外輪部材３０の螺旋凸条３９が円周溝４０に案内されて、外輪部材３０が軸方向に移動するようになっている。ここでは遊星ローラ３３の外径面にリード角が０度の円周溝４０を設けているが、円周溝４０のかわりに螺旋凸条３９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３４には、各遊星ローラ３３の軸方向後面を自転可能に支持するスラスト軸受４１が組み込まれている。収容孔２５内には、キャリヤ３４の軸方向後方に荷重センサ１が嵌め込まれている。キャリヤ３４と荷重センサ１の間には、キャリヤ３４と一体に公転する間座４２と、間座４２を公転可能に支持するスラスト軸受４３とが組み込まれている。

スラスト軸受４３は、弾性部材２の荷重入力部５で軸方向に支持されるように設けられており、このスラスト軸受４３を介して間座４２から弾性部材２の荷重入力部５に軸方向荷重が入力されるようになっている。回転軸３２は、静止部材３の円筒部９内に組み込まれた軸受４４で回転可能に支持されている。

荷重センサ１は、静止部材３の外周縁を、収容孔２５の後端部内周に形成された突起４５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、この荷重センサ１は、間座４２とスラスト軸受４３とを介してキャリヤ３４を軸方向に支持することで、キャリヤ３４の軸方向後方への移動を規制している。また、キャリヤ３４は、回転軸３２の軸方向前端に装着された止め輪４６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３４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３４に保持された遊星ローラ３３も軸方向移動が規制された状態となっている。

次に、上述した電動ブレーキ装置の動作例を説明する。

電動モータ２９を作動させると、回転軸３２が回転し、遊星ローラ３３が自転しながら回転軸３２を中心に公転する。このとき螺旋凸条３９と円周溝４０の係合によって外輪部材３０と遊星ローラ３３が軸方向に相対移動するが、遊星ローラ３３はキャリヤ３４と共に軸方向の移動が規制されているので、遊星ローラ３３は軸方向に移動せず、外輪部材３０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２６は、電動モータ２９で駆動される回転軸３２の回転を外輪部材３０の軸方向移動に変換し、その外輪部材３０で摩擦パッド２７を軸方向前方に押圧することで、摩擦パッド２７をブレーキディスク２０に押し付けて制動力を発生させる。

ここで、外輪部材３０で摩擦パッド２７を軸方向前方に押圧するとき、外輪部材３０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３３、キャリヤ３４、間座４２、スラスト軸受４３を介して荷重センサ１で受け止められる。そして、その反力によって荷重センサ１の弾性部材２が軸方向後方にたわみ、弾性部材２のたわみ量に応じて第１の荷重検出部４ａと第２の荷重検出部４ｂの出力信号Ｖａ，Ｖｂが変化し、この出力信号Ｖａ，Ｖｂに基づいて軸方向荷重の大きさ（摩擦パッド２７の押圧力）が検出される。

この電動ブレーキ装置では、電動モータ２９の回転が入力される回転軸３２の回転を外輪部材３０の軸方向移動に変換する運動変換機構３１として、遊星ローラ３３を用いた機構を採用したが、他の構成の運動変換機構３１を採用してもよい。

運動変換機構３１としてボールねじ機構を採用した電動ブレーキ装置の例を図１４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１４において、運動変換機構３１は、回転軸３２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を有する。

ナット５１は、対向片２１に設けられた収容孔２５内に、キャリパボディ２４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４２が設けられ、その間座４２がスラスト軸受４３を介して荷重センサ１で支持されている。ここで、荷重センサ１は、間座４２とスラスト軸受４３とを介してねじ軸５０を軸方向に支持することで、ねじ軸５０の軸方向後方への移動を規制している。

この電動ブレーキ装置は、回転軸３２の回転を直動部材としてのナット５１の軸方向移動に変換し、そのナット５１で摩擦パッド２７を軸方向前方に押圧することで、摩擦パッド２７をブレーキディスク２０に押し付けて制動力を発生させる。このとき、ナット５１には、軸方向後方への反力が作用し、その反力は、ねじ軸５０、間座４２、スラスト軸受４３を介して荷重センサ１で受け止められる。そして、その反力によって荷重センサ１の弾性部材２が軸方向後方にたわみ、弾性部材２のたわみ量に応じて第１の荷重検出部４ａと第２の荷重検出部４ｂの出力信号Ｖａ，Ｖｂが変化し、この出力信号Ｖａ，Ｖｂに基づいて軸方向荷重の大きさ（摩擦パッド２７の押圧力）が検出される。

また、運動変換機構３１としてボールランプ機構を採用した電動ブレーキ装置の例を図１５に示す。

図１５において、運動変換機構３１は、回転軸３２と、回転軸３２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とを有する。

直動ディスク６１は、対向片２１に設けられた収容孔２５内に、キャリパボディ２４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４２が設けられ、その間座４２がスラスト軸受４３を介して荷重センサ１で支持されている。ここで、荷重センサ１は、間座４２とスラスト軸受４３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１５、図１６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１７（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１７（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。

この電動ブレーキ装置は、回転軸３２の回転を直動部材としての直動ディスク６１の軸方向移動に変換し、その直動ディスク６１で摩擦パッド２７を軸方向前方に押圧することで、摩擦パッド２７をブレーキディスク２０に押し付けて制動力を発生させる。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４２、スラスト軸受４３を介して荷重センサ１で受け止められる。そして、その反力によって荷重センサ１の弾性部材２が軸方向後方にたわみ、弾性部材２のたわみ量に応じて第１の荷重検出部４ａと第２の荷重検出部４ｂの出力信号Ｖａ，Ｖｂが変化し、この出力信号Ｖａ，Ｖｂに基づいて軸方向荷重の大きさ（摩擦パッド２７の押圧力）が検出される。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

２ 弾性部材
４ａ 第１の荷重検出部
４ｂ 第２の荷重検出部
１１ａ 磁気ターゲット
１２ａ 磁気センサ部
１３ 永久磁石
１４ 制御部
２６ 電動式直動アクチュエータ
２７ 摩擦パッド
２９ 電動モータ
３０ 外輪部材
３１ 運動変換機構
３２ 回転軸
３３ 遊星ローラ
３４ キャリヤ
３９ 螺旋凸条
４０ 円周溝
４３ スラスト軸受
Ｆａ，Ｆｍａｘ 上限値
Ｌａ 第１の荷重領域
Ｌｂ 第２の荷重領域
Ｖａ，Ｖｂ 出力信号
ｆａ，ｆｂ 荷重値

Claims (9)

1. 外部から軸方向荷重が入力されて弾性変形を生じる弾性部材（２）と、
   その弾性部材（２）の変形量に応じた信号を出力する２つ以上の荷重検出部（４ａ，４ｂ）とを有し、
   前記２つ以上の荷重検出部（４ａ，４ｂ）は、
   前記弾性部材（２）に入力される軸方向荷重の大きさが所定の上限値（Ｆａ）よりも小さい第１の荷重領域（Ｌａ）で、前記弾性部材（２）の変形量に応じた信号（Ｖａ）を出力する第１の荷重検出部（４ａ）と、
   前記第１の荷重領域（Ｌａ）の上限値（Ｆａ）よりも大きい軸方向荷重を含む第２の荷重領域（Ｌｂ）で、前記弾性部材（２）の変形量に応じた信号（Ｖｂ）を出力する第２の荷重検出部（４ｂ）とを含み、
   前記第１の荷重検出部（４ａ）および第２の荷重検出部（４ｂ）は、第１の荷重検出部（４ａ）が第２の荷重検出部（４ｂ）よりも高い検出分解能を有するように構成されている荷重センサ。
2. 前記第２の荷重領域（Ｌｂ）は、前記第１の荷重領域（Ｌａ）と少なくとも一部重複するように設定されている請求項１に記載の荷重センサ。
3. 前記第１の荷重領域（Ｌａ）は、前記弾性部材（２）に入力される軸方向荷重の大きさがゼロから前記上限値（Ｆａ）までの領域であり、
   前記第２の荷重領域（Ｌｂ）は、前記弾性部材（２）に入力される軸方向荷重の大きさがゼロから前記上限値（Ｆａ）の２倍以上の大きさの上限値（Ｆｍａｘ）までの領域である請求項１または２に記載の荷重センサ。
4. 前記２つ以上の荷重検出部（４ａ，４ｂ）が、前記弾性部材（２）に対する軸方向荷重の作用中心まわりに円周方向に等間隔となるように配置されている請求項１から３のいずれかに記載の荷重センサ。
5. 前記第１の荷重検出部（４ａ）と第２の荷重検出部（４ｂ）から出力されるそれぞれの信号（Ｖａ，Ｖｂ）が入力され、その各信号（Ｖａ，Ｖｂ）に基づいて前記第１の荷重検出部（４ａ）での荷重値（ｆａ）と第２の荷重検出部（４ｂ）での荷重値（ｆｂ）とをそれぞれ算出し、前記第１の荷重領域（Ｌａ）では、前記第１の荷重検出部（４ａ）での荷重値（ｆａ）と第２の荷重検出部（４ｂ）での荷重値（ｆｂ）とを平均したものを前記軸方向荷重の大きさとして出力する制御部（１４）を更に有する請求項１から４のいずれかに記載の荷重センサ。
6. 前記第１の荷重検出部（４ａ）は、磁界を発生する磁気ターゲット（１１ａ）と、その磁気ターゲット（１１ａ）に対する相対位置が前記弾性部材（２）の変形量に応じて変化するように配置された磁気センサ部（１２ａ）とからなり、
   前記磁気ターゲット（１１ａ）は、前記弾性部材（２）の変形による磁気ターゲット（１１ａ）と磁気センサ部（１２ａ）の相対変位方向に対して直交する方向に磁化された２つの永久磁石（１３）を、一方の永久磁石（１３）のＮ極と他方の永久磁石（１３）のＳ極が前記磁気ターゲット（１１ａ）と磁気センサ部（１２ａ）の相対変位方向に隣接するように配置したものであり、
   前記磁気センサ部（１２ａ）は、前記隣接するＮ極とＳ極の境目の近傍に配置されている請求項１から５のいずれかに記載の荷重センサ。
7. 電動モータ（２９）と、その電動モータ（２９）の回転を直動部材（３０）の軸方向移動に変換する運動変換機構（３１）とを有する電動式直動アクチュエータにおいて、
   前記直動部材（３０）で対象物（２７）を軸方向前方に押圧したときに直動部材（３０）に作用する軸方向後方への反力を受ける部分に、請求項１から６のいずれかに記載の荷重センサを組み込んだことを特徴とする電動式直動アクチュエータ。
8. 前記運動変換機構（３１）は、前記電動モータ（２９）の回転が入力される回転軸（３２）と、その回転軸（３２）の外径面に転がり接触する複数の遊星ローラ（３３）と、その複数の遊星ローラ（３３）を自転可能かつ公転可能に保持するキャリヤ（３４）と、前記複数の遊星ローラ（３３）を囲むように配置された前記直動部材としての外輪部材（３０）と、その外輪部材（３０）の内径面に設けられた螺旋凸条（３９）と、その螺旋凸条（３９）と係合するように前記各遊星ローラ（３３）の外径面に設けられた螺旋溝または円周溝（４０）とを有し、
   前記弾性部材（２）は、前記キャリヤ（３４）をスラスト軸受（４３）を介して支持することで前記キャリヤ（３４）の軸方向後方への移動を規制する部材である請求項７に記載の電動式直動アクチュエータ。
9. 電動モータ（２９）と、その電動モータ（２９）の回転を直動部材（３０）の軸方向移動に変換する運動変換機構（３１）とを有し、前記直動部材（３０）で摩擦パッド（２７）を軸方向前方に押圧して制動力を発生する電動ブレーキ装置において、
   前記直動部材（３０）で摩擦パッド（２７）を軸方向前方に押圧したときに直動部材（３０）に作用する軸方向後方への反力を受ける部分に、請求項１から６のいずれかに記載の荷重センサを組み込んだことを特徴とする電動ブレーキ装置。

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