ディスクブレーキ

ディスクブレーキ (disc brake) は、制動装置の一種であり、主に航空機、自動車、オートバイ、自転車、鉄道車両に使用されている。車輪とともに回転する金属の円盤を、パッドなどで両側から挟み込むことによって制動する。一般的に円盤はブレーキローター、挟み込む機構はブレーキキャリパーと称される。

特徴

ディスクブレーキの長所は、主要構造が外部に露出していることにより通風が良く、ローター自体の放熱性が良好であるため、ドラムブレーキに比べてフェード現象が起こりにくい点である。またブレーキローターに水が付着した場合でも、ローターの回転で水を弾き飛ばしてしまうためウォーターフェード現象（水の介在で摩擦係数が大幅に低下する現象）が起こりにくいこと、摩耗粉がたまりにくく鳴きにくいこと、開放状態でローターとパッド間の隙間が少なく制動初期からロックまでコントロールしやすく（いわゆるカックンブレーキにならない）安定した制動力が得られる等の点がある。
その反面、ドラムブレーキのリーディングシューのような自己サーボ効果（自己倍力作用）がなく、拘束力も小さい。これは大型自動車にディスクブレーキが普及していない大きな理由となっている。
そのままではドラムブレーキと比較した場合に制動力（拘束力）が弱いため、大きな入力を必要とする。そのため、別途負圧、油圧、空気圧を利用した倍力装置を付加し、自動車においてはブレーキペダル踏力を軽減しているものが多い。そのため装置全体として見ると構造が複雑になり、重量も重くなってしまう。吸気管の負圧を利用したものは、エンジンが停止しているときには十分な制動力が得られないので、通常よりも大きなペダル踏力が必要となる。その他の方式でも、走行中に何らかの原因で倍力装置が失陥した場合、かなり強く踏み込まないと停止できない場合がある。
また、ドラムブレーキのシューに比べてブレーキパッドの面積を大きくとることが難しく、制動力を大きくするには、摩擦材やローター材の変更、ローターの大径化、ブレーキキャリパーのマルチポット化などが必要であり、高コスト化と重量増は避けられない。モータースポーツ用にはカーボンファイバー製のローターもあるが、一般市場に流通するような性格のものではない。

構造

構造は、車輪と一緒に回転するブレーキローターを、両側からブレーキキャリパーに組み込まれたブレーキパッドで押さえつけることで摩擦力を発生し、運動エネルギーを熱エネルギーに変換して制動する仕組みである。パッドを押さえつける力を伝達する構造は、自動車用では主にパスカルの原理を用いてマスターシリンダーからの入力でピストンを動作させる液圧式（Hydraulic）が大半で、バス、ダンプカー、大型トレーラー、鉄道車両などでは空気圧によってパッドを押しつける空気式が多い。
ブレーキ・キャリパーはブレーキ・パッドおよびブレーキ・ピストンの支持器である。ピストンは一般的に軟鉄で作られ、クロムメッキでコーティングされている。 
キャリパーには固定型と浮遊型の２種類がある。固定型キャリパーはディスクの両側にある「シリンダピストン」「ブレーキパッド」が制動することによりホイールの回転を止める。浮遊型キャリパーは、片側のピストンが反作用によってキャリパーを動かし、内側のブレーキパッドがディスクの表面に触れるまでブレーキシューを押し続けることによりディスクの両側に圧力が働き制動作用が起きる。 
一般的に固定型キャリパーは浮遊型キャリパーより構造が複雑で値段も高価である。
ローターの材質は自動車ではダクタイル鋳鉄 (FCD) やねずみ鋳鉄 (FC)、航空機用では鋳鉄の他に炭素繊維強化炭素複合材料（CCコンポジット）製のものが存在する。オートバイではサビや汚れに対する考慮からマルテンサイト系ステンレス鋼のものが主流である。
付着したブレーキパッドの摩擦粉の除去やローターの放熱・冷却のため、ローターの面に穴開けや溝掘りなどの加工を施すことがあり、前者をドリルドローター (Drilled Rotor)、後者をスリットローター (Slit Rotor)と称する。ローターの冷却対策としては、ディスクを2枚以上としてその間にフィンを挟んで放熱に関与する表面積と通風性を増したベンチレーテッドディスクブレーキ (Ventilated Disc Brake) を採用することが多い。一枚板のものはソリッドディスクブレーキ (Solid Disc Brake) と称して区別される。

ブレーキの種類

力の伝達と制動力の発生には、油圧、空気圧、機械（ロッド又はワイヤー）が用いられる。

自動車

自動車のディスクブレーキは、航空機技術の流用から始まっている。
乗用車では一般的に、前輪にベンチレーテッドディスク、後輪には制動力の配分やコストの面からソリッドディスクまたはドラムブレーキを用いることが多い。後輪にドラムブレーキを採用する車両では、パーキングブレーキをドラムブレーキで兼用するものがほとんどである。一方、全車輪にディスクブレーキを採用する車両では、パーキングブレーキとして後輪ディスクブレーキのピストンを手動または電動で機械的に押し、パッドをローターに押し付けて制動力を発揮させるものがあるが、基本的にドラム式に比べ拘束力は低い（手動式の中には勾配などで駐車に必要な拘束力が不足しているものもある）。そのため、重量のある車種ではローターとは別に、駐車ブレーキ専用のドラムブレーキ（パーキングドラム）が追加されているものもある。
大型自動車では車両総重量の関係で、拘束力の小さいディスクブレーキの採用はつい最近まで見送られていたが、EBSの普及で少しずつではあるが採用され始めている（例：除雪車専用の特殊車両を除く2代目UD・クオン）。
なお広義の自動車に範囲を広げるとレーシングカートにも採用されている。

オートバイ

ディスクブレーキの信頼性がまだ確立されていなかった時代には、オートバイでも自動車と同様に、前後輪ともドラムブレーキが一般的だった。公道用量産市販車として初めてディスクブレーキを採用したのは1969年（昭和44年）のホンダ・ドリームCB750FOURであるが、当時はまだ高価だったこともあり、発熱の大きな前輪のみディスクブレーキで、後輪はドラムブレーキとされ、後に続く車種も前輪のみディスクブレーキというものが多かった。
車両の走行性能の向上で、オートバイにとって危険なタイヤのロックを回避できるコントロールしやすいブレーキが求められるようになり、生産技術の向上もあって現在では多くの車種で前後ともにディスクブレーキが採用されている。しかしコストを低減する目的でドラムブレーキを採用する車種も存在し、特に原動機付自転車では後輪もディスクブレーキとなっているものは稀である。
オートバイで採用されるディスクブレーキは、初期にはケーブルとカムによる機械作動式もみられたが、現在ほぼ全て液圧作動式となっている。
過去にはオートバイのディスクブレーキとしてベンチレーテッドディスクやスリットローターを採用する車種もあったが、現在ではほとんどの車種で軽量化、排熱効果向上や異物排除を目的にドリルドローターを採用している。ローター周辺への異物混入が多いオフロードタイプでは、異物を速やかにブレーキキャリパーから掻き出すことを目的としてローターの円周が波打っているウェーブローターを採用するものもある。
オートバイは車両重量が自動車と比べて圧倒的に軽い為、ほとんどの車種で倍力装置を採用しておらず、操作レバーや操作ペダルのレバー比や、マスターシリンダーの液圧比だけで制動力を確保している。
なお排気量が400ccを超える車種では、前輪の左右両側にディスクを備えるダブルディスクブレーキを採用している場合が多い。また、高級車や大型車を中心としてABSを備えているものもある。

鉄道車両

鉄道車両では、制動力や耐フェード性の高さ、放熱性の向上、高速走行への対応などの目的でディスクブレーキが採用されている。鉄道のディスクブレーキ車両の場合、対重量の関係から、すべてがベンチレーテッドディスクである。ブレーキキャリパーの作動は空気圧によって行われるものが一般的である。
日本の在来線は国鉄を始め1,067mm狭軌が多く、バックゲージ（車輪間の幅）に余裕がないことから、当初は車輪そのものローターとした車輪ディスク方式が開発された。これは国鉄キハ80系気動車用のDT31系台車として採用されたが、もともと気動車ではバックゲージがそれほどタイトではなかったため、続く国鉄キハ181系気動車のDT40系台車でも採用されたが、国鉄キハ183系気動車では踏面（トレッド面）の雪の付着を防止するため踏面ブレーキとなり、以降気動車の車輪ディスクブレーキは見られなくなった。

車輪ディスクブレーキ方式はバックゲージに余裕のない在来線用電車の電動車で多く使われたが、近年はVVVFインバータ制御の普及に伴って主電動機が小型化したため、車輪ディスクブレーキの採用例は減っている。1,435mm標準軌を採用した私鉄での採用例も少ないが、大出力を求められる新幹線や、京成AE形（2代目）では主電動機容量確保のために採用されている。
在来線電動車で独立したローターを設ける方式として、貫通型軸受を用いて車軸を台車枠の外に取り付ける方式がある。これは日立製作所が製造した相模鉄道向け直角カルダン台車であるKHシリーズで採用され、6000系から9000系まで採用された。ブレーキの作用は対向ピストンキャリパーとは若干異なり、ブレーキシリンダーのアームがテコを介してパッドをローターに押し付ける形態になっており、同時にてこの原理で押し付ける力を強める。この方式は「テコリンク式」と呼ばれ、相鉄以外では東急電鉄・東急車輛がアメリカのバッド社のパイオニアIII形台車ライセンス供与を受けて製造した際、原型のディスクブレーキでは1,067mm狭軌の東急ではバックゲージが不足するためこの方式が採用された。バックゲージをあまり削ることなく装備できる他、ブレーキ作動時に発生するパッドやディスクローターから出る鉄粉が動力系にあまりかからないというメリットが有る。しかしコストが高く付く上、パイオニアIII形の乗り心地が良くなかったため、他には南海電鉄と京王電鉄が採用したのみで、何れも台車振替により全廃されている。以降、この方式は相鉄・日立のみで製造された。
バックゲージの問題がない付随車では1・2枚のディスクローターを車輪間の車軸に装備する方法が一般的で、作動機構も航空機や自動車の対向ピストンキャリパーと同じ構造である。
鉄道車両用ディスクブレーキは高性能ではあったが、車輪とレールの間に入り込み車輪の踏面（トレッド面）に付着した細かいゴミや塵を取り除くことが出来ないという欠点があり、その踏面の汚れが制動時にレールとの摩擦力低下や車輪がロックして滑走することによるタイヤフラットの発生を引き起こす要因となっていたため、近年のディスクブレーキが採用されている車両では、粘着力確保とタイヤフラットを防止する目的で、ほぼすべての車両が踏面清掃装置を装備するか、踏面ブレーキを併用している。
材質に金属ではなく、炭素繊維強化炭素 (C/C)とすることも研究されている。C/C素材は耐熱性にすぐれ、軽量で強度も十分という利点がある一方で、200-300℃程度の温度ではブレーキが安定しないという問題がある。これは摩擦摩耗に起因するものであり、この温度で最も激しくなるためという。三菱重工のグループは対策として酸化化合物を含浸させ、問題の起こる温度を上昇させることが出来た。また、大気中で600℃以上になると表面が酸化されて劣化するなどの問題もあるが、この対策としてブレーキディスク表面に炭化ケイ素のごく薄い被膜を形成したところ、こちらも解決できたという。このディスクは新幹線試験車両STAR21に搭載される形で実車試験も行われた。新幹線ではディスクブレーキ等の摩擦ブレーキは主に非常ブレーキとして使うことを想定されており、その使用頻度は低いと考えられる。三菱ではブレーキ初速350km/hから0km/hまでの減速で40回ほど使用出来たとしており、非常ブレーキとして使うならば耐久性も十分だと評価している。
また、ブレーキディスクへの物理的摩擦でなく、渦電流を発生させて電磁気的な抵抗によりブレーキ力を得る渦電流式ディスクブレーキも存在する。非接触のブレーキとして新幹線100系電車以降の付随車に採用されたが、かご形三相誘導電動機となって軽量化されたモーターより、ブレーキ力を得るための電磁石が重くなってしまったこと、高速域のブレーキを電動車の回生ブレーキで賄う遅れ込め制御の普及もあり、E1系・N700系以降は搭載されていない。

農業機械

農業機械では、建設機械と同様に湿式多板式を用いたインボードディスクブレーキとして主にトラクターに採用しているケースがほとんどである。

主要メーカー

自動車・オートバイ用においては、アドヴィックス、ブレンボ、デルファイロッキード、APレーシング、ウイルウッド、フェロード、アルコン、曙ブレーキ工業、トキコ（注：現在はブランド名。製造は日立オートモティブシステムズ）、日信工業、日清紡績、住友電工ブレーキシステムズなどが代表的メーカーで、F1、WRC、MotoGPなどの各種レースで実績を持つ。アフターマーケットではエンドレス・アドバンス、プロジェクト・ミュー、ウェッズなどに代表されるブレーキ系パーツに強いメーカーもあり、こちらもモータースポーツで実績を上げている。サンスター技研はOEM供給のほかカスタムパーツの販売も行っている。
大型自動車用ではWABCO、TBK、ブレンボなどがトラック・バスに対応したディスクブレーキを製造している。
自転車用においては、世界的自転車パーツメーカーであるシマノの他、マグラ、ヘイズ、エイビッド、ホープ、フォーミュラーなどが代表的なメーカーであり、ディスクローターやブレーキパッドなどのスモールパーツでは様々なメーカーが参入している。