(57)【要約】ブレーキ力の正確かつ一義的な検出のために、できるだけブレーキライニングにブレーキ力の導入される箇所の近くで測定する。アクチュエータ底部（２）の変形ΔＺをブレーキ力の測定値として用いるために、アクチュエータ底部を相応に形成する。アクチュエータ（１）の支持リング（３）がブレーキライニング（１８）にリング状に接触している。比例的な変形へのブレーキ力の変換の際の温度影響及びヒステリシス効果を避けるために種々の手段を講じる。
2004510124.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アクチュエータ組み込み式の力センサーであって、力伝達路内での力測定のために力伝達路に対して横方向に向けられたアクチュエータ底部（２）を用いるようになっており、アクチュエータ底部の中央に力（Ｆ）が作用するようになっており、さらに力伝達のための、アクチュエータ底部の外側縁部に環状に力方向へ配置された支持リング（３）を用いるようになっており、この場合、力（Ｆ）によって変形可能なアクチュエータ底部（２）が力センサーの構成部分であり、該構成部分の検出可能な変形が力（Ｆ）のための尺度を成していることを特徴とする、アクチュエータ組み込み式の力センサー。
【請求項２】
変形が誘導的若しくは光学的な測定法によって、若しくは金属式、ピエゾ抵抗式若しくは半導体ひずみゲージによって若しくはシリコン表面マイクロ構造のひずみセンサーによって検出可能である請求項１記載の力センサー。
【請求項３】
変形が容量測定法によって検出可能である請求項１記載の力センサー。
【請求項４】
アクチュエータ縁部に対するアクチュエータ底部（２）の中央のたわみ（ΔＺ）が、平板コンデンサー装置によって検出可能であり、平板コンデンサー装置が、ばねの作用下で支持部（４）に圧着された電極保持体（７）上に取り付けられた電極（５）及びアクチュエータ底部（２）によって形成された対向電極から成っている請求項３記載の力センサー。
【請求項５】
アクチュエータ底部（２）と支持リング（３）との間の結合部の断面が、内側の環状の溝（８）によって減少されており、これによって、アクチュエータ底部（２）内に力方向で生じる温度勾配が最小にされている請求項１から４のいずれか１項記載の力センサー。
【請求項６】
アクチュエータ底部（２）と支持リング（３）との間の機械的な連結を低下させるために、材料断面が減少されており、これによって、アクチュエータ底部から支持リングへのモーメント伝達が減少されている請求項５記載の力センサー。
【請求項７】
支持リング（３）が少なくとも１つの開口を有している請求項１から６のいずれか１項記載の力センサー。
【請求項８】
複数の開口が支持リング（３）の周囲に均一に分配されている請求項７記載の力センサー。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は力センサーであって、該力センサーが力を形成若しくは力伝達路内で伝達するためのアクチュエータ内に組み込まれていて、力伝達路に対して横方向にアクチュエータ底部を有している形式のものに関する。
【０００２】
自動車においては、ブレーキ機能が液圧作動可能なアクチュエータによって実施される。「Ｂｒａｋｅ−ｂｙ−Ｗｉｒｅ」と呼ばれる方法は、電気作動式のブレーキ装置である。この場合、アクチュエータ、即ちブレーキ力を生ぜしめて伝達する部材が電動モータ式の変速駆動装置を介して作動される。これによって得られる利点が、ブレーキプロセスの任意に変更可能な構造、並びに別の機能、例えばＡＢＳ−機能（Ａｎｔｉ−Ｂｌｏｃｋｉｅｒ−Ｓｙｓｔｅｍ［アンチロック・システム］）の同時的な実現にある。電気機械式のブレーキシステムは一般的にブレーキ力制御式に作動するので、正確なブレーキ力測定がシステム全体の能力に対する重要な基礎を成す。ブレーキシステムの精度にとって同期に関した高い要求が課せられる。ブレーキ力が例えば５ｔである場合も、製作誤差は例えば＜１％でありたい。さらに測定が、測定個所へのアクセスの制限、力方向での狭いスペース及び著しく高い空間的及び時間的な温度勾配によって極めて困難である。このような観点から、公知の力センサー、例えばひずみゲージの使用が不可能である。
【０００３】
本発明の課題は、ブレーキ力の正確かつ一義的な検出をブレーキ力の作用箇所のできるだけ近くで可能にすることである。
【０００４】
前記課題が請求項１に記載の構成によって解決される。有利な実施態様が従属項に記載してある。
【０００５】
本発明は、力センサーが簡単にアクチュエータ内に組み込み可能であるという認識に基づく。
【０００６】
アクチュエータ底部若しくはブレーキピストン底部（液圧式のシステムに則した名称）のたわみが、ブレーキ力の測定値として利用される。このためにアクチュエータ底部が適切に形成される。アクチュエータは通常は中空円筒形に形成されていて、底部を有し、さらに支持リングを備えており、支持リングがブレーキのブレーキライニングに直接に若しくは間接に接触する。ブレーキ力が中央で生ぜしめられて、アクチュエータ底部に導入される。
【０００７】
有利には、アクチュエータ底部の変形が種々の測定方法で検出される。連続生産に適した方法は容量測定法であり、この場合、アクチュエータ底部がコンデンサーの電極を成しており、コンデンサーの、変形により変化した容量が検出される。コンデンサーは一般に平板コンデンサーであり、この場合、アクチュエータ底部に相対する電極が平板状に形成されて、ばね力によって支持部に圧着されており、従って高い温度勾配においても機械的ないかなる応力も電極の絶縁体に伝達されることはなく、規定された電極間隔が保証され、このことは例えばヨーロッパ特許第０８４９５７６Ｂ１号明細書に記載してある。
【０００８】
アクチュエータ底部と支持リングとの間の結合部は通常は剛性的に形成されているので、該箇所でブレーキ力が支持リングにトルクを生ぜしめ、支持リングが摩擦力に基づきヒステリシス効果を生ぜしめる。従って該結合箇所の材料断面が有利な形式では内側の環状の溝、若しくは外側の環状の溝、若しくは該両方の溝によって減少させられ、その結果、最小のトルクしか伝達されない。
【０００９】
ヒステリシス効果を最小にするために設けられた手段が、アクチュエータ底部内の温度勾配をほぼ半径方向の熱導入に基づき軸線方向で抑制するのにも適している。軸線方向の温度勾配は、測定すべき力の方向でのアクチュエータ底部のたわみを生ぜしめ、ひいては測定誤差をもたらすことになる。
【００１０】
次ぎに本発明を図示の実施例に基づき説明する。本発明は図示の実施例に限定されるものではない。
【００１１】
本発明の要旨はアクチュエータ内への力センサーの組み込みにあり、この場合、アクチュエータ底部が測定部材として用いられている。アクチュエータ底部の、力の作用に相応した弾性的な変形が、測定値である。該変形から力の値が推論される。
【００１２】
アクチュエータ底部の測定方向、即ち力方向での温度に起因した変形を避けるために、アクチュエータ底部と支持リングとの間の結合箇所で、温度若しくは熱の案内が、温度勾配を力方向で減少させるように行われ、このことは等温線の、力方向で形成されるほぼ軸線方向の経過を意味する。これによって熱流がほぼ半径方向で内側へ流れる。
【００１３】
力の増大及び減少する種々の負荷変動中のヒステリシス効果を避けるために、トルクの発生若しくは支持リングへのトルクの伝達が最小にされる。このために、アクチュエータ底部と支持リングとの間の結合箇所がヒンジ状に形成される。アクチュエータ底部がダイヤフラム状の変形部材として作用するので、アクチュエータ底部と外側のシリンダー若しくは支持リングとの間の結合箇所への力の負荷に際してトルクが生じ、該トルクの旋回点がＴ字形結合部内に位置している。このことは、ブレーキライニングに対する支持リングの支持面の半径方向の移動を生ぜしめる。支持箇所に作用する摩擦力によって、負荷の減少の際にももとの支持位置は達成されず、その結果、ヒステリシス効果が生じて、測定の再現性が妨げられる。環状に延びる適切な溝を設けることによって、当該箇所へのトルクの伝達が避けられる。
【００１４】
図１はアクチュエータ１の断面図であり、この場合、アクチュエータ底部２が力方向に対して垂直に配置されている。力方向が図２に示してある。図１にはさらに、力の作用点としてのベース面１２、支持リング３、ブレーキライニング１８並びに熱流の方向が示してある。アクチュエータ１は全体的にシリンダー状に、大部分を中空シリンダー状に形成されている。この場合、支持リング３が力方向で見てアクチュエータ底部２の下流側でアクチュエータ底部２の外側の周囲の領域に配置されている。アクチュエータ底部の案内のために、中空シリンダー状の構造が支持リング３に相対してアクチュエータ底部２を越えて力方向と逆向きに延長されている。アクチュエータ底部２内に等温線１１を示してあり、等温線が異なる温度Ｔ１乃至Ｔ４を表している。図１で重要なことは、熱流Ｑが、支持リング３と接触するブレーキライニング１８を備えたブレーキ機構から出発して、どのようにアクチュエータ底部２内に導かれるかであり、アクチュエータ底部２内に力方向の温度勾配が生じている。このことはアクチュエータ底部の温度に起因した変形を生ぜしめ、ひいては間違った力の測定結果をもたらす。
【００１５】
図２には、力Ｆ、即ちブレーキ力が概略的示され、かつアクチュエータ底部２の変形がアクチュエータ底部２のたわんだ形で示してある。最大のたわみΔＺが、一般的に半径方向対称的な構成部分の中心に生じている。図示の変形はアクチュエータ底部２と支持リング３との間の結合箇所にトルクを生ぜしめ、該トルクの旋回点１０がマークしてある。このようなトルクによって、力の負荷に際して支持リング３の、ブレーキライニング１８と接触している面が外側へ移動させられる。トルクＭが概略的に示してある。
【００１６】
図３においては、内側の環状の溝８及び外側の環状の溝９によって、アクチュエータ底部２内への熱流の導入が力方向に対してほぼ垂直に、即ち半径方向で外側から内側へ行われている。このことはほぼ力に平行な等温線１１を生ぜしめる。このような手段によって、温度に起因した変形の発生が避けられる。
【００１７】
図４においては、同じくアクチュエータ底部２と支持リング３との間の環状の溝８，９によって、力作用の際のトルクＭの発生を排除する手段が講じられている。これによって、アクチュエータ底部２が最大の値ΔＺにわたってたわんだ場合でも、アクチュエータ底部の外側の縁部が、ブレーキライニング１８に対する支持リング３の支持面を外側へ移動させてしまうようなトルクを生ぜしめしめることはなくなる。溝８，９によって、材料の断面積も相応に減少させられ、その結果、ヒンジ状の構造が得られる。
【００１８】
図５は、種々のセンサーによるアクチュエータ底部のたわみΔＺの測定装置を備えたアクチュエータを示している。一方では、アクチュエータ底部２のたわみが無接触式の距離センサー１３によって誘導的に若しくは光学的に測定される。このような無接触式のセンサーは力方向に対して横方向に向けられたベース面１２に取り付けられていて、従ってアクチュエータ底部２の中央の領域に相応してΔＺだけ移動させられる。該移動はアクチュエータ底部２へのセンサーの接近によって無接触式に行われる。
【００１９】
別の測定法がひずみセンサー６の使用にあり、高い温度に適している。該センサーはひずみεを測定する。ひずみセンサーとしては、金属製の半導体ひずみゲージ、ピエゾ抵抗形ひずみゲージ、若しくはシリコン表面マイクロ構造の容量形ひずみセンサーが用いられる。
【００２０】
図６は、容量形の測定装置を備えたアクチュエータ１を示している。同じくΔＺが測定される。容量形の測定装置は電極保持体７に配置された電極５を含んでいる。電極保持体がばね力を受けて外側の領域で支持部１４に圧着されている。支持部１４は、力が作用しても定位置に止まっている。ばね力はばね１５によって生ぜしめられる。ばねは後ろ側のカバー４に支えられている。電極５が静止位置ではばねによって確実にアクチュエータ底部２に対してほぼ平行に向けられている。アクチュエータ底部２が電極５に対する対向電極を成している。両方の電極間の間隔の変化がΔＺに比例した信号を生ぜしめる。
【００２１】
図７ではブレーキシステムがブレーキディスク１７に作用している。ブレーキキャリパ１６に組み込まれたブレーキライニング１８が両側でブレーキディスク１７に圧着されるようになっており、このためにモータ１９を介してスピンドル２０がブレーキ力をアクチュエータに作用させる。電動モータ式の駆動部は通常は減速装置に接続されている。スピンドル２０がブレーキ力をアクチュエータ底部２の中央に伝達する。モータ１９は後ろ側でブレーキキャリパ１６に保持されている。容量形のセンサー２２が概略的に示してある。熱流がブレーキディスク１７とブレーキライニング１８との間の接触面から支持リング３、ひいてはアクチュエータ底部２内へ流れる。ここに１００°を越える温度差が生じると、明らかに温度に起因した変形が再現可能な測定を妨げることになる。
【００２２】
温度の影響及びヒステリシスについて述べると、ブレーキにおける温度の影響は著しく、それというのはブレーキ過程に際して数秒でアクチュエータ１の著しい加熱が生じる。熱流Ｑが支持リング３を介してアクチュエータ底部２内に達する。アクチュエータ底部内に軸線方向の著しい温度勾配が生じ、このことは図１に示してある。これによってアクチュエータ底部の温度に起因したたわみΔＺが生じ、ひいては測定誤差が生じる。しかしながら、支持リング３に環状の溝８の形の旋削部を設けることによって、熱流がほぼ半径方向でアクチュエータ底部内に導入され、ひいては温度に起因した軸線方向のたわみΔＺが排除される。
【００２３】
アクチュエータにおけるヒステリシス現象はアクチュエータ底部２と支持リング３との間の剛性的な結合によって生じる。中央で導入されたブレーキ力は、アクチュエータ底部２のたわみΔＺだけではなくトルクＭ（図２）も生ぜしめる。該トルクが支持リング３の支持面の半径方向外側への移動を生ぜしめる。負荷（ブレーキ力）の減少に際しても、著しい摩擦力が高いヒステリシスを生ぜしめ、即ち変形ΔＺの、力Ｆの減少に比例した戻りを妨げる。本発明に基づき、ヒステリシスがアクチュエータ底部２と支持リング３との間の剛性的な結合部を断面の著しい減少に基づき弱くすることによって避けられる。両方の構成部分間の結合部は、図４に示してあるように支持面に対してほぼ中央に配置されている。さらにセンサーの形成のためにヒステリシスの少ない材料が用いられる。有利には、例えばＴｙｐ １７−４ＰＨのタイプのさびない高級鋼が用いられる。ブレーキ力に比例したたわみの測定は有利にはアクチュエータの縁部に対して行われる。このために、誘導的な若しくは光学的な測定法が用いられる。高い温度に基づき、図６に示すように容量測定原理が特に適している。容量変化がアクチュエータ底部２と電極との間の間隔の、ブレーキ力に起因した変化によって生じる。変形ΔＺ、ひいてはブレーキ力に比例した測定信号が、アクチュエータ底部２の半径方向のひずみεを表している。ひずみセンサーとしては高温測定テープ、高温ひずみゲージ、ピエゾ抵抗センサー、容量形マイクロメカニズムひずみセンサーが考えられる。
【００２４】
本発明は、すでに存在するアクチュエータ底部２を直接的なブレーキ力測定のための変形部材として用いて温度にほぼ左右されないかつヒステリシスのない力測定を行うものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】
アクチュエータ底部の断面図。
【図２】
アクチュエータ底部の静止状態と変形状態とを示す図。
【図３】
環状の溝を備えたアクチュエータを示す図。
【図４】
環状の溝を備えたアクチュエータの静止状態と負荷のかけられた状態とを示す図。
【図５】
変形のための測定部材を備えたアクチュエータを示す図。
【図６】
容量形測定装置を備えたアクチュエータを示す図。
【図７】
自動車ブレーキシステムの概略的な断面図。
【符号の説明】
１　アクチュエータ、　２　アクチュエータ底部、　３　支持リング、　４　支持部、　７　電極保持体、　８，９　溝、　１２　ベース面、　１８　ブレーキライニング
【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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