JP6670289B2 - 電気機械式ブレーキキャリパーアクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、一般にはブレーキシステム、特に電気機械式ブレーキキャリパーのためのアクチュエータに関する。

本発明の技術分野は電気機械式ブレーキキャリパーであり、一般に、電動駆動、減衰システム、及び、回転運動を直線運動に変換するためのシステムを必要とする。

運動の変換は、キャリパー本体に収容された回転可能なねじと、ナットねじとの間の噛み合い、通常、ねじとナットねじの間の境界面での循環ボール、いわゆるボールねじによって行われる。

ねじの回転により、ナットねじに対して並進運動が伝達される。ナットねじは、ピストンを押圧して一対のブレーキパッドの一方に係合する。ナットねじは、ブレーキディスクに対してキャリパー本体とは対称に搭載される。ディスクでのパッドの押圧力が制動力を引き起こし、その反力はキャリパーとそこに連結された要素とに伝えられる。この反力により、ねじの軸心とピストンの軸心との間の芯ずれが発生する。支持部及び変速要素での補正のない圧力のため、装置の効率、又は機械的健全性が損なわれる。

実際に、ブレーキパッドが圧縮されると、ブレーキキャリパーの湾曲がキャリパー自身に作用する反力によってどのようにして引き起こされ、ブレーキパッドのピストンの支持面と、ねじの回転軸との間の相対的な回転（結果的に、ねじの長軸に対するピストンの長軸の芯ずれ）をどのようにして引き起こすのかは公知である。言い換えれば、ねじの駆動軸は、キャリパー本体のねじの軸方向に隣接する平面と垂直に維持される一方、ピストンの駆動軸はパッド−ディスク平面と垂直に維持される。

この軸の芯ずれにより、ねじを支持するスラスト軸受に不均一な負荷が作用し、ねじとナットねじの間に挿入される回転要素に、結果としてボールに均質でないヘルツ圧を付与し、構成要素の疲労寿命に関する問題と共に不完全な負荷を作用させる。この問題を解決するため、キャリパー本体の剛性を大きくして、その変形を抑制できる。この結果、ピストン軸に対するねじ軸の振動又は傾き（すなわち、ピストンの駆動軸とねじの間の芯ずれ）は抑制されるが、結果としてブレーキの全体サイズと重量が顕著に増大する。

これに代えて、システムにさらなる自由度を与えることができ、これによりピストン循環ねじ軸の駆動角度の違いを補償可能となる。関節継ぎ手、すなわち周方向の拘束が、ピストンとナットねじの間の境界面に付加され、ピストン自身をねじの長軸とは一致しない方向に方向付けることできる一方、ナットねじをピストンに係合させて押圧可能な状態に維持する。

ナットねじとピストンの間の面に対して円錐状の連結面を使用する、スラストピストンとねじ−ナットのねじ組立品との間の芯ずれを補正するような解決法が、米国特許第8,607,939号明細書で公知である。

米国特許第8,607,939号明細書

しかしながら、公知の解決法は、一般にナットねじとピストンの境界面に円錐又は球状のジョイントを採用しており、ナットねじに対して相対的にピストンが部分的に回転可能となることを抑えることができない。これは、ナットねじとピストンの間の連結点において、ピストンとナットねじの間で角度ずれを発生させる接触面間で相互にスライドするからである。

そのような回転により、電気モータの軸の回転角度（角度「ａ」）と、スラストピストンの移動（ストローク「ｃ」）との間の相関関係にエラーがもたらされる。そのような相関関係は、ブレーキ装置の操作効率を保証するために、（温度、速度等の）全ての使用条件で設計パラメータについて保証されなければならない。

実際に、回り止めシステムがナットねじ、ピストン及びキャリパー本体の間になければ、キャリパー本体に対して軸方向への変位なしに、ねじの押し付け回転と、ナットねじ又はピストンの回転とがもたらされる。したがって、（機械伝達の削減割合によりモータの回転に関連する）ねじの押し付け回転について、電子制御ユニットがブレーキキャリパー駆動装置の適切で効率的な管理を可能とするために、予め決められた関係にあるナットねじ／ピストンの対応する軸方向の移動があることが必要である。

電気機械式キャリパーに関する運動連鎖を分析すると、スラストピストンと、動きを回転から直動に変換する機械システムとの間の境界面は、（ブレーキ動作の操作条件では、）設計式に対する実際の角度とストロークの強固な相関関係を考慮した最も重要な領域である。

「ａとｃ」の関係を保証するのに有用な（例えば、捩りや干渉等による）堅い境界面の完成により、荷重下、ブレーキキャリパーの変形を補正するために、部品自体では対応できないことに起因する圧力により、機械部品の寸法が大きくなり過ぎるという結果がもたらされる。

しかしながら、従来技術は、名目上の「ａとｃ」の関係と、操作条件下（すなわち、キャリパーがディスクにブレーキ力を作用させる際）での「ａとｃ」の関係との間の位相変化を回避したり、例えば、ピストンとナットねじの間の連結面のみを利用したりするための有利な解決方法を提供しない。

そこで、「ａとｃ」の関係を保証する結合形状を創作したり、特別な装置を追加したりすることが必要である。

本発明の目的は、芯ずれの補正と名目上の「ａ−ｃ」の相関関係を同時に保証することである。

この問題を解決するため、ピストンとナットねじにはアーチ状の連結面が形成され、これらは少なくとも部分的に相補的な形状を有しており、キャリパー本体が優先的に変形する平面に垂直な回転軸に対してこれらの構成部品を相互に回転可能とし、このとき軸方向のスラスト力によって押圧し、同時にピストンがナットねじに対して周方向にスライドしにくくする。

回止ピンは、キャリパー本体と一体化されて、キャリパー本体のみならず、長軸を中心としても回転できないようにピストンに係合するのが好都合である。

この構成により、ナットねじとピストンの間の芯ずれを補償できる一方、ピストンとナットねじの間の相対的な回転を、ピストンとキャリパー本体の間の場合と同様に抑え、設計上の相互関係「ａ−ｃ」を維持する。

このように、ねじ−ナット、ねじ−ピストンの組立品によって形成されるアクチュエータの効率が最大化される。

本発明の実施形態に係るアクチュエータを備えた電気機械式ブレーキキャリパーの側面断面図である。 図１のアクチュエータを含む、ねじ-ナットのねじ組立品の斜視図である。 図２の組立品を含む、ナットねじの側面断面図である。 本発明の実施形態に係る、図１のアクチュエータを含むスラストピストンの側面断面図である。 図４のピストンの斜視図である。 本発明の実施形態に係る、ブレーキ力を作用させた状態でのアクチュエータを備えた、電気機械式ブレーキキャリパーの側面断面図である。 本発明の実施形態に係るナットねじの連結面を形成するようにねじ-ナットのねじ組立品を横断する垂直シリンダの斜視図である。 本発明の実施形態に係るナットねじの連結面を形成するようにねじ-ナットのねじ組立品を横断する垂直シリンダの斜視図である。 本発明の他の実施形態に係る付加アダプタを備える、ピストン-ナットのねじ組立品の斜視図である。 図９のナット-ねじのアダプタ組立品の斜視図である。

本発明の複数の実施形態を詳細に説明する前に、本発明の適用例がその構成の詳細や、後述する記載あるいは図面の構造には制限されないことを明らかとする。本発明は、他の実施形態を想定でき、実用化又は異なる方法で理解できる。

最初に図１を参照すると、本発明の好ましい実施形態では、電気機械式ブレーキキャリパー９は、循環式ボールねじ１２及び可動スラスト要素１８，３２を有する機械式アクチュエータ１１が収容されるキャリパー本体１０を備える。循環式ボールねじ１２は、第１長軸ｘを中心として回転可能なねじ１４を備え、このねじ１４はナットねじ１６に対して相対的に回転し、第１長軸ｘに沿って平行に往復移動可能である。

ナットねじ１６は可動スラスト要素１８，３２に係合する。可動スラスト要素１８，３２は、ナットねじ１６の軸方向の移動によって押圧される。また、可動スラスト要素１８，３２は、一対のパッド２０の一方にスラスト力を発生させ、ブレーキディスク（図示せず）にブレーキ力を付与する。

本発明の実施形態によれば、可動スラスト要素は、パッド２０に直接係合し、ブレーキディスクを押圧する、中空円筒状のピストン１８である。

ねじ１４はアキシャル軸受２２によって支持され、ピストン１８の内筒にはシーガータイプのリング２４を保持するための溝２４ａ（図４で視認可能）が形成されているのが好ましい。

図２は、本発明の実施形態に係る循環式ボールタイプねじを詳細に示す。図面から、ねじ１４及びナットねじ１６が第１長軸ｘと同軸上に位置し、ねじ１４の回転に応じたナットねじ１６の移動や、ねじの角度変化につながるストロークがあることは明らかである。ナットねじ１６の反対面には、ピストン１８との接触領域に隣接して、ナットねじ１６の反対面に対向する凹面を有するように図示された例として、第１連結面Ｃが形成されている。図３は、連結面Ｃがナットねじ１６の径方向周辺が、可能であれば２つの平面セグメントＣ ^ＩＩ で囲まれ、ピストン１８との接触面として機能する、平坦で湾曲した疑似円環面の形態を、どのように形成するのかを示している。

この説明及び特許請求の範囲で、「長手方向の」、「横軸の」等、位置や方向を示す用語及び表現は第１長軸ｘに関するものである。

図４で理解できるように、ピストン１８は、第２長軸ｙに沿って軸方向に延びる２つの内方の円筒キャビティ１８ａ，１８ｂを有する。すなわち、第１円筒キャビティ１８ａは、アキシャル軸受２２に隣接し、循環式ボールタイプねじ１２、特にナットねじ１６が同心上に収容されるように構成されている。第２軸方向キャビティ１８ｂはナットねじ１６を超えて長手方向に延びるねじの一部が収容されている。

ピストン１８は、内方に第２連結面Ｃ ^Ｉ が位置するように形成されている。第２連結面Ｃは、対応する第１連結面Ｃに係合する。第１連結面Ｃは、ナットねじ１６の外径歯に形成されている。２つの連結面Ｃ，Ｃ ^Ｉ は、ナットねじ１６が軸方向に移動して接触する際、ピストン１８を軸方向に直動させるためにスラスト関係で協働し、横断スラスト面Ａを押圧することによりパッド２０を押し出す。

本発明の好ましい実施形態によれば、軸方向のキャビティ１８ａ，１８ｂは、ピストンの内方に異なる半径Ｒ１，Ｒ２を有し、その半径の違いにより、第２長軸ｙと垂直な面に第２連結面Ｃ ^Ｉ の環状突出部を形成する。ピストンの厚みの違いという条件は、軸方向のキャビティ１８ａ，１８ｂの半径Ｒ１，Ｒ２の違いに関係する。限定するものではないが、例えば、ピストンが同一半径を有する２つの内方キャビティを有することができるので、境界面は、径方向に厚さを有する環状の隔壁と、この厚さに等しい軸方向の拡張部分と、第２接触面Ｃの延長部分との間に配置されているのが好ましい。図１及び図６に示すように、ナットねじ１６とピストン１８にそれぞれ関係する第１及び第２連結面Ｃ，Ｃ ^Ｉ の間を、連結及び接触させることによりナットねじをピストンに係合して押圧する。

前述のように、キャリパー９、特にキャリパー本体１０が、ピストン１８によって作動するブレーキパッド２０のブレーキ力に対してブレーキディスクに働く反作用に従った圧力により、キャリパー本体自身の変形、ピストンの反対面（図１及び図６に含まれる実質的な平面）での際立った曲げ変形が引き起こされる。キャリパー本体１０の分岐には、ピストン１８の第２長軸ｙにほぼ垂直な軸を中心とするキャリパー本体１０の横軸の反作用面Ｂの回転が含まれる。そのような反作用面Ｂの回転により、同様にねじ１４が上方へと回転し、その結果、（図６で理解できるように）循環式ボールねじの第１長軸ｘとピストンの第２長軸ｙとの間に角度βのずれが発生する。

連結面Ｃ，Ｃにより、キャリパー本体１０の変形しやすい面に沿ったナットねじ１６とピストン１８の間のずれは許容されるが、ナットねじ１６に対するピストンの第２長軸ｙを中心とする相互の回転は阻止される。このように、ピストン１８は第１長軸ｘにほぼ垂直な予め決められた横軸ｋを中心として揺動可能であるが、第２長軸ｙを中心とする回転は不能である。本発明の実施形態によれば、キャリパー本体１０に対するピストン自身の長軸ｙ回りのさらなる回転は、回転体２６，２８すなわち対照要素（例えば、図示しない方法でのピン又はキー）には対照手段によって阻止され、長軸ｘと垂直な軸においてキャリパー本体に適宜挿入され、ピストン１８の外方の厚み部分に形成される、凹部又は軸方向に長尺な溝に係合可能である。溝は、ピストンの径方向の厚み部分を貫通していても、貫通していなくてもよい。

ピン２６は、一端を溝２８内に突出させ、ピストンが長軸ｙを中心として回転初期段階にあるとき、ピストン１８の回転を阻止する。したがって、軸方向に延びる溝では、その内部にピン２６の先端が突出して当接し、長軸の周囲でのピストンの回転が阻止される。対照手段２６，２８の構成は逆にできる。つまり、キャリパー本体１０内に凹部を形成し、対照要素をピストン１８に一体化できる。

図７及び図８は、図示しない方法で、仮想固体３０、例えば、ねじ１６の第１長軸ｘに対して垂直角δ（図８に図示）で方向付けられた垂直軸ｚを有するシリンダを備えたピストン１８のナットねじ１６の面から始まる連結面がどのように定義できるかを示す。仮想角度δは直角であるのが好ましい。

本発明の実施形態に係るシリンダは、半径Ｒ２３の円形部を有するが、（例えば、楕円状、放射状、双曲状、多角形状等）どのような形状の閉鎖部又は開放部を有していてもよい。但し、この部位がｙ軸に対してナットねじとピストンの間の相対的な回転を阻止するものの、キャリパー本体の最大変形面に垂直な軸に対してピストン−ねじ軸の間の相対的な回転が可能となることを保証することが条件である。

仮想固体３０の幾何学上の他の形状（例えば、ドーナツ形状）は排除しない。また、垂直軸ｚは直線形状から変更できる（例えば、トロイドの軸が円形であるが、機能的に楕円状、放射状等であってもよい）。

一実施形態では、第１連結面Ｃはナットねじ１６が交差する垂直シリンダ３０の外面の一部として定義できる。仮想シリンダ３０又はピストンの一部を（半径方向又は長軸方向に）変形させたり、ナットねじ１６に対する軸の方向δを変更したりすることにより、第１接触面Ｃの凹面、形状、及び拡張部分を変形できる。例えば、図示しない方法により、仮想シリンダ３０とナットねじ１６が交差する仮想角度δを変更することにより、異なる曲率半径を有する一対の湾曲凹部を備える第１連結面Ｃを得ることができる。好ましい実施形態では、仮想角度δは９０°である。第１連結面は、長軸ｘを通り、図１の平面とほぼ同一面内に位置する直径面Ｐ（図７に示す）に対して鏡面対称である。仮想角度δがキャリパー本体の最も変形した平面と垂直でない場合、変形の補正効果は損なわれ、δが０°に等しければ（すなわち、関節継ぎ手でないが、最大変形面に対して拘束されているならば）ゼロになる。

例えば、仮想シリンダ３０の側面とピストン１８の径方向の少なくとも一部の厚みとの間の交差部分を考慮すると、ピストン１８についても同様な理由が存在し得ることが分かる。

さらに、図９は本発明の他の実施形態、特にピストンが（小さな製品容量の場合の）成型よりもむしろ機械工具で機械加工して製造するのに適した実施形態を示す。この場合、可動スラスト要素１８，３２は、ナットねじ１６とピストン１８の間の境界面に挿入されたインサート３２である。インサート３２は、ピストンの内方の厚み部分に形成され、環状ハウジングシートＣｖとそれぞれ一致する環状外形形状Ｃ^ＩＩＩ、Ｃ^ＩＶをそれぞれ備えると共に、第１連結面Ｃを形成されるナットねじ１６の横断境界面を備える。

図１０は、特に、インサート３２とナットねじ１６の連結状態を示す。インサート３２はナットねじ１６の厚み部分に形成された連結面Ｃに係合する曲線形状Ｃ^ＩＶを有する。ナットねじとインサートの相補面間の連結のため、ピストンとナットねじの間の連結にも同様な考えが有効である。

本発明の実施形態によれば、１以上の平坦部３２ｂにより（好ましくは、この例で示されるのは一対である）、インサート３２をピストン１８に回転不能に固定し、ピストン１８の内方厚み部分に形成された適切なシートに隣接させることができる。図示しない変形例によれば、インサート３２とピストン１８の間の非回転機能により、相対的な回転を阻止できる、一般的な形状の結合又は他のタイプの結合（ねじ、溶接、接着等）で効果を得ることができる。

ピストンとナットねじの間を直接連結する場合と、インサート３２を介在させて連結する場合のいずれであっても、２つの面の少なくとも一部が相互に一致又は僅かに触れ、相互に接触していれば十分であるので、連結面Ｃ，Ｃ及びＣ^ＩＶが完全に重なる必要はない。一致した形状（結果として、ここで図示した場合のように同軸）の場合、予め決められた回転横軸ｋはその形状の共通軸と一致している。逆に、連結面（Ｃ，Ｃ^ＩＩＩ及びＣ^ＩＶ）が相互に接触するものの異なる曲率半径を有すれば、ナットねじ１６とスラスト要素１８，３２の間の予め決められた回転横軸ｋは、連結面の形状に接する軸に合致する。また、ナットねじの凹状形状と、ピストンの関連する凸形状とを置き換えたり、これらを逆に置き換えたりすることができる（同様なことがインサート３２とナットねじ１６の連結にも適用される）。

この結果、ここに記載した実施形態により、ピストンと循環ボールねじの間の芯ずれ６が補正され、同時にピストン１８、ナットねじ１６及びキャリパー本体１０の間の相互の回転が阻止されることになり、ピストンのストロークとねじの回転との間の予め決められた相関関係が維持される。本発明に係る、電気機械式キャリパーのためのアクチュエータの種々の態様及び実施形態について説明した。各実施形態は他のいずれにも組み合わせるようにしても構わない。また、本発明は記載された実施形態に限定されるものではないが、添付の特許請求の範囲によって特定される範囲内で変更可能である。

Claims (9)

1. キャリパー本体（１０）と、電気機械式アクチュエータ（１１）とを備えた電気機械式キャリパー（９）であって、
   長軸（ｘ）を中心として回転可能なねじ（１４）と、
   前記ねじ（１４）に回転可能に連結され、前記ねじ（１４）の長軸（ｘ）に沿って移動可能なナットねじ（１６）と、
   前記ナットねじ（１６）と同軸の長軸（ｙ）上に配置されて前記ナットねじ（１６）に螺合する可動スラスト要素（１８，３２）と、
   前記ナットねじ（１６）に設けられる少なくとも第１連結面（Ｃ）と、可動スラスト要素（１８，３２）に設けられる少なくとも第２連結面（Ｃ ^Ｉ ，Ｃ^ＩＶ）とを備え、前記第２連結面（Ｃ ^Ｉ ，Ｃ^ＩＶ）が前記第１連結面（Ｃ）に少なくとも一部を連結され、前記第１連結面（Ｃ）に対して押圧可能であるナットねじ（１６）と可動スラスト要素（１８，３２）の間の連結面と、
   を備え、
   前記連結面（Ｃ，Ｃ ^Ｉ ，Ｃ^ＩＶ）の１つ（Ｃ）は凹状、残り（Ｃ ^Ｉ ，Ｃ^ＩＶ）は凹状の連結面（Ｃ）に係合する凸状であり、前記連結面（Ｃ，Ｃ ^Ｉ ，Ｃ^ＩＶ）の配置は、ねじ（１４）の長軸（ｘ）にほぼ垂直な単一の予め決められた軸（ｋ）を中心として可動スラスト要素（１８，３２）に対してナットねじ（１６）の相対的な揺動を可能とすると共に、
   ナットねじ（１６）と可動スラスト要素（１８）の間の長軸（ｙ）を中心とする相対的な回転が阻止され、
   前記第１及び第２連結面（Ｃ，Ｃ ^Ｉ ，Ｃ ^ＩＶ ）は、一部に互いを補完する同軸の円筒面を有し、前記ナットねじ（１６）と可動スラスト要素（１８．３２）は、前記第１及び第２連結面（Ｃ，Ｃ ^Ｉ ，Ｃ ^ＩＶ ）と共通の軸を中心として相対的に揺動可能であることを特徴とする電気機械式キャリパー（９）。
2. 前記第１及び第２連結面（Ｃ，Ｃ ^Ｉ ，Ｃ^ＩＶ）は、前記単一の予め決められた横軸（ｋ）にほぼ沿い、相補的な形状をそれぞれ備えることを特徴とする請求項１に記載の電気機械式ブレーキキャリパー。
3. 前記第１及び第２連結面（Ｃ，Ｃ ^Ｉ ，Ｃ^ＩＶ）は、二者択一的にいずれかがナットねじ（１６）と仮想固体（３０）の側面の間、又は、可動スラスト要素（１８，３２）と仮想固体（３０）の間の境界面であり、
   前記仮想固体（３０）は、ねじの長軸、あるいは、スラスト要素（１８，３２）の長軸（ｙ）に対して仮想角度（δ）傾斜した垂直軸（ｚ）を備え、
   前記仮想固体（３０）は、前記ナットねじ（１６）又は可動スラスト要素（１８，３２）の少なくとも一部と交差する前記請求項１又は２に記載の電気機械式ブレーキキャリパー。
4. 前記仮想固体（３０）は円筒であることを特徴とする請求項３に記載の電気機械式ブレーキキャリパー。
5. 前記仮想角度（δ）は９０°であることを特徴とする請求項３又は４に記載の電気機械式ブレーキキャリパー。
6. 前記スラスト要素（１８，３２）は、ピストン（１８）と、環状の外形形状（Ｃ^ＩＩＩ，Ｃ ^Ｖ ）によって同軸で互いに連結されたインサート（３２）とを備えることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の電気機械式ブレーキキャリパー。
7. 前記インサート（３２）は、少なくとも１つの平坦部（３２ｂ）を備え、ピストンの窪みに係合し、共通軸（ｙ）を中心とするピストン（１８）に対してインサート（３２）の相対的な回転を阻止するように構成されていることを特徴とする請求項６に記載の電気機械式ブレーキキャリパー。
8. 前記可動スラスト要素（１８）とキャリパー本体（１０）の間に、可動スラスト要素（１８）の長軸（ｙ）を中心とする相対的な回転を阻止するように構成した対照手段（２６，２８）が設けられていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の電気機械式ブレーキキャリパー。
9. 前記対照手段（２６，２８）は、
   前記スラスト要素（１８，３２）に軸方向に長尺な凹部（２８）と、
   前記キャリパー本体（１０）に一体化され、前記凹部（２８）に少なくとも一部が突出する回転対照要素（２６）と、
   を備えることを特徴とする請求項８に記載の電気機械式ブレーキキャリパー。

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