JP2018036118A - 電動ブレーキ用推力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】ピストンから推力が印加される推力センサにおいて、推力センサとピストンとの位置ずれや角度ずれに伴う歪出力ばらつきを抑制する。【解決手段】推力センサ１は、傾斜部１５が形成された受圧フレーム１２上に歪センサ１１が搭載されており、受圧フレーム１２の変形を直接歪センサ１１a、１１bに伝えている。歪センサ１１aと歪センサ１１bは、受圧フレーム１２のＸ軸方向に沿って等間隔に搭載されており、ピストン２を介した推力により理想的には同一の歪が出力される。ピストン２の先端は曲面１６が形成されており、ピストン２と推力センサ１は曲面１６と傾斜部１５で接する構造となっている。【選択図】 図２

Description

本発明は、電動ブレーキ装置に用いられる推力センサに関する。

電動モータを駆動源として車両の制動を行う電動ブレーキ装置では、特許文献１に示されるように、電動モータを駆動する電流から、電流リプルや電流モータにより作動する機械部分のグリスの粘性を含む摺動抵抗分の電流（粘性・摩擦トルク成分電流）などを除去したブレーキパッド押付力（以下、推力と呼ぶ）の発生にのみ寄与する電流、いわゆる推力寄与電流を算出することで推力を推定し制御を行っている。

上述した電動ブレーキ制御技術では、機械部分の経時変化などによって、推力の推定値の正確性を欠いてしまうことがある。このような状態が左右輪で発生すると、制動時の車両安定性が低下する恐れがある。

そこで、従来では詳細な推力を算出する方法が検討されたり、推力センサなどで推力を計測したりすることで車両の制動を長期間確保している。推力センサとしては一軸方向（例えば直交座標系におけるZ方向）に作用する推力（荷重）を測定する特許文献２のような推力センサは従来から知られている。特許文献２に記載の推力センサは、ピストンを介してセンシング部を押すことにより推力を測定する推力センサであって、荷重を一軸方向に伝えるピストンと、ピストンを介して荷重を測定する歪ゲージと、歪ゲージを保護する支持ケースとストッパーを有し、歪ゲージの測定許容範囲内においては当該歪ゲージを用いて推力を測定するとともに、歪ゲージに加わる荷重がその測定許容範囲を超えた場合にはストッパーで止まり過剰に歪ゲージを変形させない構造となっている。また、一軸方向に推力が加わるようにピストン周辺はピストンガイドで覆われている。

特開２００３−１０６３５５号公報 特願２０１５−１１１０８４号公報

上記の特許文献２に記載の推力センサの構成では、ピストンをピストンガイドで覆うことによって一軸方向に推力が加わる構造になっており、ピストンとピストンガイドとを高精度に加工する必要があるためコストが大きくなる。

また、ピストンの先端は歪ゲージの中央を押すために円錐状になっているため、大きな推力が加わった際には円錐の頂部の一点で応力が集中してしまうため、大きな推力の計測には不適である。

本発明の目的は、一軸方向に作用する大きな推力を正確に測定することができる低コスト推力センサを提供することにある。さらには、推力の印加位置がずれた時に位置補正を可能とする推力センサを提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明の請求項１に係る推力センサは、荷重を一軸方向に伝えるピストンと、前記ピストンを介して推力を受け取る受圧フレームと、前記受圧フレームを介して推力を受け取る受圧プレートと、前記受圧プレートを介して推力を受け取る歪センサとを有し、前記受圧フレームには傾斜部が形成されており、前記傾斜部と前記ピストンは接触しており、前記ピストンの前記傾斜部と接触している部分が曲面になっていることを特徴とする。

本発明によれば、ピストンと推力センサとの位置ずれや角度ずれに伴う歪出力ばらつきを低減した推力センサを提供することができる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の推力センサを用いた電動ブレーキの構造を示す断面図である。 本発明の第１実施例の推力センサの構造を示す断面図である。 ブリッジ回路の例を示した説明図である。 本発明の第２実施例の推力センサの構造を示す断面図である。 各角度ずれにおける本発明の第１実施例の推力センサから傾斜部がピストンから曲面が未実装時の出力ばらつきを示したグラフである。

以下、実施例を図面を用いて説明する。

図１は、本発明の推力センサを用いた電動ブレーキの構造を示す断面図を示している。電動ブレーキ７は主に、推力センサ１、ピストン２、モータ３、回転-直動変換機構４、パッド５、ディスク６などにより構成される。ドライバーがブレーキを踏むことによって、モータ３の回転トルクは回転-直動変換機構４によって回転運動から並進運動に変換され，ピストン２がモータ回転軸方向に移動する。この移動によりピストン２と接触している推力センサ１にモータ回転軸方向の力である推力が印加される。同時に，ピストン２を介してパッド５を押し出すことでディスク６が両サイドのパッド５に挟み込まれてブレーキがかかる
図２は、本実施例の推力センサ１の断面図と平面図を示している。推力センサ１は、傾斜部１５が形成された受圧フレーム１２上に、接続ピン１４を介して歪センサ１１を搭載するための受圧プレート１３が搭載された構成となっている。受圧プレート１３と受圧フレーム１２とは接続ピン１４と受圧プレート外周部１８とを溶接することで接続されており、受圧フレーム１２の変形を接続ピン１４と受圧フレーム外周部１８を介して歪センサ１１a、１１bに伝えている。受圧プレート１３は、受圧フレーム１２の変形を妨げないように、変形が容易な薄い梁構造となっている。受圧プレート１３上に、方形状の歪センサ１１a、１１bを接合層１７a、１７bを介して接合した構成となっている。歪センサ１１aと歪センサ１１bは、受圧プレート１３のＸ軸方向に沿って、かつ、接続ピン１４に対して対称に搭載されており、ピストン２を介した推力により理想的には同一の歪が出力される。

ピストン２と傾斜部１５の接触部は曲面１６となっており、ピストン２と推力センサ１は曲面１６と傾斜部１５で接する構造となっている。

図３に歪センサ１１のホイートストンブリッジ回路の構成を示す。歪センサ１１は、受圧プレート１３と接合しない側の表面の中央部にゲージ領域２２を有し、ゲージ領域２２内に４つの歪ゲージ２１（第１〜第４歪ゲージ２１ａ〜２１ｄ）を有する。４つの歪ゲージ２１は、図示されていない配線で接続されている。ゲージ領域２２は歪センサ１１の中央部上に配置されており、第１歪ゲージ２１ａおよび第２歪ゲージ２１ｂは受圧プレート１３のＸ軸方向歪が、第３歪ゲージ２１ｃおよび第４歪ゲージ２１ｄは受圧プレート１３のＹ軸方向の歪が計測できるように配置されている。推力センサ１は、ピストン２を介して加えられる推力に対して、受圧フレーム１２と受圧プレート１３が変形して歪ゲージ２１の応力が変化し、それに伴って歪ゲージ２１の抵抗が変化することで、ブリッジ回路の差動出力として圧力に比例した出力が得られる仕組みとなっている。

受圧フレーム１２と受圧プレート１３はステンレスなどの金属を材質とする。受圧フレーム１２は円板の上に円管が形成された構造をしている。加工方法には、切削や放電加工、あるいはプレス加工などを用いることができる。円管状に加工された側の面の端部である受圧フレーム外周部１８には、傾斜部１５が形成されており、受圧プレート１３が溶接により取り付けられる構造となっている。

歪センサ１１は単結晶シリコン基板を材料として製作され、歪ゲージ２１は、不純物拡散により製作された、ｐ型シリコンのピエゾ抵抗ゲージである。シリコン基板は結晶面（１００）のものを用い、Ｘ軸およびＹ軸が、シリコン結晶軸の＜１１０＞と一致するようにしている。よって第１〜第４歪ゲージ２１ａ〜２１ｄは、全てｐ型シリコン＜１１０＞方向のピエゾ抵抗ゲージである。

接着層１７にはＡｕ／Ｓｎはんだやガラスが用いられている。接合のプロセスは、例えば、歪センサ１１の接合面にＮｉ／Ａｕ膜をスパッタで形成しておき、受圧プレート１３の歪センサ１１接合領域にはＳｎ膜をめっきで形成しておき、ペレット状のＡｕ／Ｓｎを挟んで位置合わせし、加熱してＡｕ／Ｓｎを溶融することで接合する。

本発明の推力センサ１においては、ピストン２のピストン２と傾斜部１５との接触部は曲面１６となっていることに特徴がある。

推力センサ１の実装誤差により、平面図で見たところの推力センサ１とピストン２の中心がずれた位置ずれが発生する可能性がある。位置ずれが発生している状態で、推力が印加されたとすると、受圧フレーム１２に形成された傾斜部１５とピストン２の曲面１６が滑り合うことによりピストン２が位置補正され、推力センサ１の中央とピストン２の中央がほぼ一致する。これにより、ピストン２を介して受圧フレーム１２に加わる推力の位置は、位置ずれの無い場合の推力の加わる位置とほぼ同じになり、位置ずれの無い場合の出力に近い出力となる。すなわち、位置ずれに対して歪出力のばらつきを小さくできる。

また、推力センサ１の実装誤差により、推力センサ１とピストン２の角度がずれた角度ずれが発生する可能性がある。角度ずれが発生している状態で、推力が印加されたとすると、ピストン２の曲面１６が受圧フレーム１２に形成された傾斜部１５に押しつけられる。押しつけられた際に接触する場所は、ピストン２の先端が曲面１６であるため、角度ずれの無い理想状態とほぼ同じ場所となり、角度ずれの無い場合の出力に近い出力となる。すなわち、角度ずれに対して歪出力のばらつきを小さくできる。

また、本発明の推力センサ１は、受圧プレート１３に沿って接続ピンから等間隔に歪センサ１１を２個搭載しており、位置ずれや角度ずれなどが発生しない理想的な状態では同一の歪出力を発生させる。そのため、歪センサ１１の故障、例えば、歪センサ１１と受圧プレート１３との接合層１７の一つが経時劣化のせいで割れて歪出力が出なくなった場合においても、もう一つの歪センサ１１の出力で電動ブレーキを制御可能になるといったフェイルセーフの機能を有する。

さらに、理想的には同じ出力を出す歪センサ１１が２個搭載しているため、歪センサ１１の出力の差分をとることにより位置ずれや角度ずれの予想や理想的出力の算出を可能とする。

歪センサ１１には、ブリッジ回路だけでなく、出力アンプ、電流源、Ａ／Ｄ変換、出力補正回路、補正値を格納するメモリ、温度センサなど、周辺回路を作り込むことができる。上記のような信号処理回路を歪センサ内に有することにより、出力信号の増幅や温度補正、ゼロ点補正などが行え、出力信号の精度を高くすることができる。温度補正においては、歪ゲージ２１と温度センサを同じ歪センサ１１上に形成できるので、歪ゲージ２１の温度を正確に測定でき、温度補正を高い精度で行うことができる。

本実施例では、推力を受ける受圧フレーム１２および受圧プレート１３がステンレス製であるため、材料の耐力が高く、高い圧力測定範囲のセンサを構成しやすい。また、測定対象の液体や気体の腐食性が高い場合にも使用できる。ステンレスの種類は、耐力を重視する場合はＳＵＳ６３０など析出硬化型のステンレスを選び、耐腐食性を重視する場合はＳＵＳ３１６など、耐腐食性の高いステンレスを選ぶなど、材質を選択できる。また、材質はステンレスに限ったものではなく、耐力や耐腐食性、シリコンとの線膨脹係数差などを考慮して、様々な鋼種を選択できる。

また、接合層１７の材質および接合プロセスについても、上述した材質、プロセスに限るものではない。接合層１７としては、例えばガラスやＡｕ／Ｇｅはんだ、Ａｕ／Ｓｉはんだを用いることで、接合層１７のクリープ変形をより小さくすることができる。また、クリープ変形はしやすいが、それを許容する用途であれば、各種の接着剤を用いることができる。接合プロセスについては、上述のＡｕ／Ｓｕペレットを用いる方法以外にも、Ａｕ／Ｓｎを直接ダイアフラムまたはセンサチップ裏面にめっきなどで形成する方法などがある。

図４は、本発明の推力センサ１の第２実施例の断面図および平面図を示している。推力センサ１は、傾斜部１５が形成された受圧フレーム１２上に歪センサ１１が搭載されており、受圧フレーム１２の変形を直接歪センサ１１a、１１bに伝えている。歪センサ１１aと歪センサ１１bは、受圧フレーム１２のＸ軸方向に沿って等間隔に搭載されており、ピストン２を介した推力により理想的には同一の歪が出力される。受圧プレート１３を用いないことでコスト低減を図ることを可能にする。

本発明の推力センサ１においては、ピストン２のピストン２と傾斜部１５との接触部は曲面１６となっていることに特徴がある。

推力センサ１の実装誤差により、平面図で見たところの推力センサ１とピストン２の中心がずれた位置ずれが発生する可能性がある。位置ずれが発生している状態で、推力が印加されたとすると、受圧フレーム１２に形成された傾斜部１５とピストン２の曲面１６が滑り合うことによりピストン２が位置補正され、推力センサ１の中央とピストン２の中央がほぼ一致する。これにより、ピストン２を介して受圧フレーム１２に加わる推力の位置は、位置ずれの無い場合の推力の加わる位置とほぼ同じになり、位置ずれの無い場合の出力に近い出力となる。すなわち、位置ずれに対して歪出力のばらつきを小さくできる。

また、推力センサ１の実装誤差により、推力センサ１とピストン２の角度がずれた角度ずれが発生する可能性がある。角度ずれが発生している状態で、推力が印加されたとすると、ピストン２の曲面１６が受圧フレーム１２に形成された傾斜部１５に押しつけられる。押しつけられた際に接触する場所は、ピストン２の先端が曲面１６であるため、角度ずれの無い理想状態とほぼ同じ場所となり、角度ずれの無い場合の出力に近い出力となる。すなわち、角度ずれに対して歪出力のばらつきを小さくできる。

以下、本発明により得られる効果の検証を行った結果について示す。

本発明の、ピストン２の角度ずれの影響を小さくする効果について確かめるため、有限要素法（ＦＥＭ）を用いた数値解析を行った。本発明のモデルには図２の構造を用い、比較構造として受圧フレーム１２の傾斜部１５とピストン２の曲面１６が無い構造を用いた。受圧フレーム１２の直径を３０ｍｍ、受圧フレーム１２の傾斜部１５深さを１ｍｍ、傾斜部１５の角度を４５゜、ピストン２の径を１５ｍｍ、曲面１６のRが１５ｍｍとして計算を実施した。

歪ゲージに発生する応力から推力センサの出力を計算する方法について以下に示す。

本発明の推力センサにおいて、Ｘ軸に沿って配置された第１歪ゲージ２１ａと第２歪ゲージ２１ｂには同様の応力が働き、抵抗変化が等しいとみなせる。同様に第３歪ゲージ２１ｃと第４歪ゲージ２１ｄも等しい抵抗変化となる。初期抵抗Ｒ₀は全ての歪ゲージで等しいとして、各歪ゲージの抵抗を以下の式で表す。

図２のブリッジ回路で得られる電圧変化率 V_out／V_ccは以下になる。

抵抗変化△R1および△R3は以下のように求められる。第１および第２歪ゲージに発生する応力で、Ｘ方向の応力成分をσ_ｘ、Ｙ方向の応力成分をσ_ｙとすると、抵抗変化△R₁は、歪ゲージの縦ピエゾ抵抗係数をπ_l、横ピエゾ抵抗係数をπ_tとして、

と表される。一方、第３および第４歪ゲージにも同じ応力が発生するが、ゲージがＹ方向に沿って配置されているため、電流方向の応力がσ_y、それに垂直な方向の応力成分がσ_xとなり、抵抗変化△R₃は

と表わされる。なお、Ｚ方向の応力はほぼゼロになるため無視した。
（３）式で、抵抗変化は初期抵抗に対して十分小さい（2R₀≪ΔR₁+ΔR₃）として、式（４）（５）を代入すると、以下になる。

なお、ｐ型シリコン＜１１０＞方向ではπ_lとπ_tは符号が反対でほぼ同程度の値となるので、

である。歪センサ１１のヤング率をＥとおくと、応力差σ_x-σ_yはＥ（ε_x-ε_y）とおける。電流方向の歪がε_y、それに垂直な方向の歪成分がε_xとである。

以上より、推力センサの出力変化率、すなわち感度は、歪ゲージに働くＸ方向とＹ方向の歪差ε_x-ε_yに比例する。

図５に本発明構造と比較構造において、ピストン２に推力１０ｋＮを印加する解析を行った結果を示した。理想状態において１０ｋＮの推力を印加した際の歪差ε_x-ε_yを表示し、角度ずれが発生した時の歪差を比較した。

結果を見ると、比較構造において影響の大きかった角度ずれの歪差出力ばらつきが本発明構造においては、角度ずれの影響を抑えられることが分かった。

１ 推力センサ
２ ピストン
３ モータ
４ 回転-直動機構
５ パッド
６ ディスク
７ 電動ブレーキ
１１ 歪センサ
１２ 受圧フレーム
１３ 受圧プレート
１４ 接続ピン
１５ 傾斜部
１６ 曲面
１７ 接合層
１８ 受圧フレーム外周部
２１ 歪ゲージ
２２ ゲージ領域

Claims (5)

1. 荷重を一軸方向に伝えるピストンと、前記ピストンを介して推力を受け取る受圧フレームと、推力を受け取る歪センサとを有し、前記受圧フレームには傾斜部が形成されており、前記傾斜部と前記ピストンは接触しており、前記ピストンの前記傾斜部と接触している部分が曲面になっていることを特徴とする。
2. 請求項１に記載の推力センサにおいて、荷重を一軸方向に伝えるピストンと、前記ピストンを介して推力を受け取る受圧フレームと、前記受圧フレームを介して推力を受け取る受圧プレートと、前記受圧プレートを介して推力を受け取る歪センサとを有し、前記受圧フレームには傾斜部が形成されており、前記傾斜部と前記ピストンは接触しており、前記ピストンの前記傾斜部と接触している部分が曲面になっていることを特徴とする。
3. 請求項１または２に記載の推力センサにおいて、前記歪センサが一定間隔で２つ搭載されており、推力が印加された時の出力が同一であることを特徴とする推力センサ。
4. 請求項３に記載の推力センサにおいて、前記受圧フレームと前記受圧プレートが中心部で接続されていることを特徴とする圧力センサ。
5. 請求項１乃至４の何れかに記載の推力センサにおいて、４つの歪ゲージはｐ型単結晶シリコンで構成され、シリコンの＜１１０＞結晶方位に沿って形成されていることを特徴とする推力センサ。

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