著者： ダウウェイ・ビークルのCEO、ジョニー・リュー
出典元： 同済大学の陸雄教授の研究チームによる研究に基づく（持続可能性（DOI：10.3390/su15054514）。
日付： 2026年6月2日 | 更新日: 2026年8月3日
読解レベル: 中学2年生向け（技術的な詳細を省かずに分かりやすく説明する）
Table of Contents
電気機械式ブレーキ（EMB）とは何ですか？
現代の電気自動車や自動運転車には、従来の油圧作動油に代わるブレーキシステムが求められています。ブレーキ・バイ・ワイヤ（BBW）技術は、機械的な連結機構を電気信号に置き換えるものです。
BBWは大きく2つのタイプに分けられます。
- 電気油圧ブレーキ（EHB）： 部分的な進歩と言えるだろう。電動ポンプを使ってブレーキフルードを従来の配管を通して送り込む方式だ。現状ではうまく機能しているものの、フルード漏れ、応答速度の遅さ、そして部品の重量といった点が依然として課題となっている。
- 電気機械式ブレーキ（EMB）: 完全ドライシステム。ブレーキフルード、マスターシリンダー、ホース類を一切使用しません。各ホイールに取り付けられた小型電気モーターが、ブレーキパッドをブレーキローターに直接押し付けます。
[Brake Pedal] ---> (Electrical Wire) ---> [Car Computer] ---> (Wiring) ---> [Wheel Motor Actuator]
EMBのパフォーマンスに関する簡単な情報
- ゼロブレーキフルード： 有害物質の漏洩がなく、環境へのダメージも少ない。
- 迅速な対応: ブレーキの反応遅延を250ミリ秒から100ミリ秒未満に短縮します。
- パッドの抵抗ゼロ： 足を離すとブレーキパッドがローターから完全に離れるため、電気自動車は1回の充電でより遠くまで走行できるようになります。
- 高い安全性： 追加のバックアップ電源ラインと制御チップを使用することで、最高レベルの安全基準（ISO 26262 ASIL-D）を満たすように設計されています。
市場概況：特許と業界の歴史
主要な自動車部品メーカー21社を詳細に調査した結果、業界全体で169件の基盤となる特許が存在することが明らかになった。この分野を牽引しているのは、ボッシュ、コンチネンタル・テベス、シーメンス、デルファイ、ヒュンダイ・モービス、マンドの6社である。
Patent Breakdown (169 Total):
├── Reducer-Based Actuators (~65%)
├── Self-Energizing / Wedge Setup (~20%)
└── Integrated Parking Brake Parts (~15%)
30年間のタイムライン
- 1990年代： コンチネンタル・テベス、ボッシュ、シーメンス、デルファイは、基本的な試験装置の製造を開始した。コンチネンタルは1994年から1997年にかけて、遊星歯車機構を備えたボールねじを製造した。ボッシュは1996年から1998年にかけて、平歯車、ウォームギア、ベベルギア、遊星歯車機構と組み合わせたボールねじの試験を行った。
- 2000年代： エンジニアたちは電子式ウェッジブレーキ（EWB）に注力した。ボッシュは2002年から2006年にかけて、ギアとラックを用いたデュアルウェッジ機構の特許を出願した。シーメンスも同様のウェッジ機構を開発した。ヒュンダイモービスとマンドも加わり、これらの設計を量産化に向けて準備した。
2020年、テクノロジー＆メンテナンス評議会（TMC）とPITグループは、商用トラックメーカー16社にEMB（エンジンマネジメントボード）について質問した。回答した5社のうち、3社が実際に動作するプロトタイプのテストを積極的に行っていた。
価格は依然として大きな障壁となっている。大型トラックメーカーのベンディックス社は、バックアップ回路を追加すると、EMBは安価なエアブレーキに比べて販売が難しくなると指摘している。また、熱も問題となる。ブレーキローターは急ブレーキ時に摂氏600度を超えることがあり、電気部品の周囲に断熱材が必要となる。
それでも、進歩は着実に進んでいる。ハルデックスは2020年5月に中国のVIEと提携し、トラック用EMBユニットの製造を開始した。乗用車分野では、アウディが2015年型R8 e-Tronに後輪車軸EMBを搭載し、長城汽車は2021年に自社開発の全車両用EMBプラットフォームを発表した。
EMBアクチュエータ内部：5つの主要部品
ディスク型EMBアクチュエータは、電流を回転するブレーキディスクに対する物理的な圧縮力に変換します。アクチュエータユニットは、5つの異なる動作部分に分けることができます。
┌────────────────────────┐
│ EMB ACTUATOR │
└───────────┬────────────┘
│
┌──────────────┬───────────────┼───────────────┬──────────────┐
▼ ▼ ▼ ▼ ▼
┌────────────┐ ┌────────────┐ ┌────────────┐ ┌────────────┐ ┌────────────┐
│ 1. Service │ │ 2. Parking │ │ 3. Gap │ │ 4. Fast │ │ 5. Sensor │
│ Brake │ │ Brake │ │ Adjuster │ │ Return │ │ Pack │
└────────────┘ └────────────┘ └────────────┘ └────────────┘ └────────────┘
1. サービスブレーキ部品
この部分は、日常的な停止動作を担います。以下の4つの小さな部品で構成されています。
- 電気モーター： バッテリーの電流を回転力に変換する。
- 戦力増強： ギアセットやウェッジを用いてモーターのトルクを増幅することで、小型モーターでも数千ポンドもの力で推進力を発生させることができる。
- モーションコンバーター： 回転運動を直線的な押し出し運動に変える。
- プレス記事： ブレーキパッドをディスクに押し付ける。
デザインオプション：
- プレス部品： 摩擦抵抗によるパッドの不均一な摩耗を防ぐため、シングルピストンまたはフローティングデュアルピストン（デルファイ、ヒュンダイ、マンド）を採用した設計が採用されている。コンチネンタルはボールアンドソケット式のロッドエンドを使用している一方、ボッシュとヒュンダイはボールベアリングを使用して駆動ネジを曲げ力から隔離している。
- モーションコンバーター： ボールねじとローラーねじは、滑るのではなく転がるため摩擦が少なく、最も優れた性能を発揮します。ボールランプ（マンド）は省スペース性に優れ、カムやラックアンドピニオンセットは別の経路を提供します。
- 戦力増強装置： 遊星歯車機構は、狭いスペースに高い減速比を実現します。電子ウェッジブレーキ（EWB）は、ホイール自体の回転エネルギーを利用してブレーキパッドをローターにしっかりと押し付けます。シングルウェッジは前進時のみ作動しますが、ダブルウェッジやマルチウェッジは前進と後退の両方で作動します。
- モーターの種類と配置： ソリッドローターはドライブシャフトと端と端を連結して接続する一方、中空ローターはドライブネジが中心を貫通する構造になっている。ローターの配置は、直線状（同軸）、並列（平行）、または直角（垂直）のいずれかとなる。
- デュアルモーター構成： モーターを2つ使用することで安全性が向上します。追加のモーターは、パッドの隙間を調整したり、故障時に詰まったパッドを戻したり、パッドの隙間を素早く解消したり、パーキングブレーキをロックしたり、ウェッジ力のバランスを取ったりすることができます。
2. パーキングブレーキ部品
駐車中の車は、バッテリーを消耗させることなく静止状態を維持する必要があります。EMBアクチュエータは、主に3つのロック方式を採用しています。
- 手動ロック： 手動ケーブルで内部レバーを操作します（シーメンスおよびデルファイ製システム）。
- モーター駆動装置： 補助的な小型モーターがウォームスクリューを回転させ、ロックプレートを固定する（デルファイ設計）。
- ソレノイドアクチュエータ（最も一般的）： 磁気コイルがロックピンまたはラッチを作動させる。
- 摩擦クラッチ（ボッシュ製）： 停電時には、バネの力でロックディスクが互いに押し付けられる。
- ポールとラチェット（デルファイ）： 磁気ラッチが歯車に歯を落とす。
- ローラーランプ（コンチネンタル）： ローラーが傾斜したレール上を滑り降り、シャフトをしっかりと固定する。
- ピンとギア（マンドー）： 鋼鉄製のピンが歯車の歯の間を直接スライドする。
3. ギャップ調整部品
ブレーキパッドは時間の経過とともに摩耗し、パッドとディスクの間の隙間が広がります。アジャスターはこの隙間を自動的に調整します。
- フレキシブルアジャスター： ゴム製のシールリングまたはスプリングは、ブレーキ時にたわみ、その後元の状態に戻ります（ボッシュの設計）。
- 剛性アジャスター： 小型モーターまたは機械式ラチェットによってゼロ点が前方に移動します（ボッシュ、ヒュンダイ、マンドーの設計）。
- 総合アジャスター： 柔らかいゴム製のフレキシブル部品と、硬質のギア式ラチェット（デルファイ、シーメンス、マンドなど）を組み合わせることで、スムーズで静かなギャップ制御が可能になります。
4. クイックリターンパーツ
ブレーキペダルを離すと、スプリングの力でブレーキパッドがディスクから瞬時に引き離されます。
- ねじりばね： ブレーキ時に巻き上げ、電源が切れるとモーターを逆回転させます（デルファイ、ヒュンダイ、マンド）。
- 圧縮ばね： ピストンの後ろに座り、ピストンをまっすぐ後ろに押し戻してください（マンダロリアンのように）。
- クラッチユニット： 内部の鋼球を使って、機構を瞬時に開ける。
5. センサーパック
アクチュエータはセンサーを使用して、リアルタイムのフィードバックを制御チップに送信します。
- 力覚センサー： ネジ、ハウジング、パッド間の圧縮圧力を測定する。
- 角度エンコーダ： モーターの回転速度と位置を追跡します。
- 位置センサー： ピストンがまっすぐ前方にどれだけ移動するかを測定する。
- ウェアラブルセンサー： パッドの厚さを監視し、ローターとの初期接触を検出します。
- 温度センサー： 熱の蓄積を追跡する. 注：センサーは、高温になるブレーキローターから保護するために遮熱板が必要です。
EMBが制動力を制御する方法
電気モーターでブレーキローターをスムーズに締め付けるには、高度な制御ソフトウェアが必要です。エンジニアは主に2つの制御経路を使用します。 間接的な支配 （圧力センサーなしで力を推測する） 直接制御 （圧力センサーを使用してリアルタイムで追跡します。）
間接力制御（センサーレス）
圧力センサーは重量とコストを増加させ、高温のホイール付近で破損するリスクも伴います。センサーレス方式では、他の信号を用いて圧縮力を算出します。
- 角度ベースのトラッキング： モーター位置とキャリパー剛性曲線を使用します: $$\text{圧縮力} F_{cl} = f(\theta_m)$$ ここで、$\theta_m$ はモーター角度です。
- 接触検知: シュワルツ氏はモーター電流の急激な変化を追跡し、パッドがローターに接触する正確な瞬間を特定した。
- 一時的な問題とラグの修正： シャリッチ氏は2つの温度センサーを用いて剛性曲線を更新した。パーク氏は、高速ポンプ作動時のパッドの屈曲を補正するためにヒステリシスモデルを構築した。
Force
^
│ / (Hot Caliper Curve)
│ /
│ / (Standard Curve)
│ /
│ (Gap Area) /
└────────────────────────┴────────────────────> Motor Angle
^ Pads Touch Rotor
- 電流ベースの追跡： モーターのトルクバランス方程式を使用します。$$K_m I_m = J_m \ddot{\theta}_m + T_f + \frac{g}{2\pi \eta} F_{cl}$$ ここで、$I_m$ は電流、$K_m$ はモーターのトルク定数、$J_m$ は慣性、$T_f$ は摩擦トルク、$g$ はギア比、$\eta$ はギア効率です。
- 摩擦の修正方法： 王氏（浙江大学）は、失速点におけるモーターの公式のバランスを取ることで計算を簡略化した。魏氏は、試験台上でトルク曲線をマッピングした。
- 複合信号処理法： モーターの角度と電流値を組み合わせます。Šarićは尤度推定器を用いて2つのモデルを融合しました。Baeは遺伝的アルゴリズムとカルマンフィルターを組み合わせて、急停止時のノイズの多い信号をクリーンアップしました。
直接的な部隊統制
力覚センサーが所定の位置に留まっている場合、ソフトウェアループがモーターの動きを直接制御します。
- 3ループカスケードPID： 基本構成では、3つの入れ子になったループを使用します。$$\text{外側圧力ループ} \longrightarrow \text{中間速度ループ} \longrightarrow \text{内側電流ループ}$$
- Liはボーデ周波数プロットを用いてループゲインを調整した。Joはギャップサイズに基づいてPIDゲインを自動調整する機能を追加した。Lineは摩擦フィードフォワードステップを追加した。
- KiとLeeは、圧力モードと角度モード間の状態切り替えロジックを構築した。Zhang（吉林大学）は、停止動作を4つの明確なフェーズに分割し、それぞれにカスタムPID設定を適用した。Zhang（湖南大学）は、2次カルマンフィルタを通して電流をフィルタリングし、ファジーPIDループを実行した。
Target Force ──> [Force Loop] ──> Target Speed ──> [Speed Loop] ──> Target Current ──> [Current Loop] ──> Motor
^ ^ ^
└────── Sensor Force Feedback ────┴────── Encoder Speed Feedback ─────┴────── Shunt Current Feedback
- ロバスト制御（$H_\infty$ （観察者）
- パッドの摩耗や温度変化を無視する、ライン構築された$H_\infty$セットアップ。
- クリシュナムルティは、スイッチトリラクタンスモータ（SRM）用のバックステッピング法則を構築した。
- Eumは、モデル誤差がシステムを揺るがすのを防ぐために、外乱オブザーバ（DOB）を追加した。
- モデル予測制御（MPC）： 将来の車両の動きを計算し、モーターの設定をリアルタイムで調整します。
- 摩擦補正機能を備えたラインマッチングMPCにより、モーターのトルクを最大化します。
- Li氏は明示的非線形MPCを開発し、標準的なMPCに比べて数学的な負荷を24%削減した。
- スライディングモード制御（SMC）： 状況を見失うことなく、迅速な変更にも対応します。
- リンドヴァイ＝ソーズとホーンは、SMC内で摩擦を境界付き変数として扱った。
- ハンは、電子式ウェッジブレーキ用に調整されたSMCルールを開発した。
- パク氏とチェ氏は、コントローラーの揺れを止めるために、リアルタイムの摩擦更新機能を備えたアダプティブSMCを開発した。
- スマートコントロール：
- マンジーとリーは、ほぼリアルタイムで最適な追跡ルールを構築した。
- キム氏は、遺伝的アルゴリズムによって調整された脳にヒントを得た神経制御システムを構築し、従来のPID制御よりも予期せぬ路面の凹凸にうまく対応できるようにした。
システム安全性と自動運転統合
自動車が完全自動運転機能へと移行するにつれ、ブレーキシステムは厳格な安全基準を満たす必要が出てくる。
SELF-DRIVING BRAKING NEEDS
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ Basic Driver Assist │ Fast Response, ABS/ESC Modulation │
├────────────────────────┼────────────────────────────────────┤
│ Full Self-Driving │ Under 100ms Response, 0.1 MPa Precision,│
│ │ ASIL-D Redundant Wiring & Power │
└────────────────────────┴────────────────────────────────────┘
安全規則と配線アーキテクチャ
ISO 26262 規則では、総ブレーキ損失は ASIL-D 格付け ― 自動車設計における最高リスククラス。
システムは以下の3つの安全レベルに従います。
- フルパワーモード： 内部故障が1件発生しても、制動力を100%維持します。
- 部分電力モード： 1回の故障を部分的な力で処理しつつ、車をまっすぐ安定した状態に保ちます。
- 緊急モード: 2度目の故障が発生した場合は、車両を制御された状態で完全に停止させることで対処します。
単一障害点を回避するために、メーカーは主に3つの制御レイアウトを構築します。
LAYOUT 1: Axle Split
[Main Chip] ───> [Front Axle Chip] ───> [Front Wheels]
───> [Rear Axle Chip] ───> [Rear Wheels]
• Power: Dual H-Shape Lines | Safety: Retains 50% to 100% braking power if 1 chip fails
LAYOUT 2: Direct Wheel Control
[Main Chip] ───> Directly controls [4 Wheel Chips]
• Power: Dual Independent Power Feeds | Safety: Pedal directly commands wheel chips
LAYOUT 3: Main + Backup Dual Chips
[Main Chip] ──┬──> [4 Wheel Chips]
[Backup Chip] ─┘ (Cross-linked Power Grid)
• Power: Dual X-Shape Wiring + Backup Battery | Safety: Retains at least 50% braking power