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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Massestruktur/eine Erdungsstruktur (engl.: ground structure) einer Steuereinheit.
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Stand der Technik
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Herkömmlicherweise ist als eine Massestruktur einer Schaltung die folgende Struktur bekannt.
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JP H11- 355 091 A offenbart eine Rauschunterdrückungs-Schaltungsstruktur. Eine Rauschunterdrückungsschaltungseinheit der Rauschunterdrückungs-Schaltungsstruktur weist eine Stromversorgungseinheit, eine Rauschfiltereinheit und eine Anschlusseinheit auf. Die Anschlusseinheit umfasst einen Stromversorgungsleitungs-Anschluss, einen äußeren Rahmen-Masse-Anschluss, einen Signalmasse-Anschluss und einen inneren Rahmen-Masse-Anschluss. Die Gehäuse der entsprechenden Einheiten sind mit Metallblechen miteinander verbunden. Ferner sind ein Ausgangs-Anschluss eines Massepotentials der Stromversorgungseinheit und der Signalmasse-Anschluss der Anschlusseinheit über eine Leitung miteinander verbunden. Ferner sind ein Masse-Anschluss der Rauschfiltereinheit und der innere Rahmen-Masse-Anschluss der Anschlusseinheit miteinander verbunden.
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Die JP H05- 102 676 A offenbart ein Verbindungsverfahren für eine Steuerplatine, bei welchem ein Hochfrequenzsignal, das gleich oder höher als 1 MHz ist, und ein Niederfrequenzsignal verwendet werden. Nach dieser Technik wird eine Signalmasse an einem einzigen Punkt mit einer Gehäusemasse verbunden. Nebst dieser Verbindung wird die Signalmasse an mehreren Punkten über einen Kondensator mit der Gehäusemasse verbunden.
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Die Dokumente
JP 2010 -
040 787 A ,
DE 693 25 953 T2 und JP H10- 145 013 A offenbaren jedes für sich die Merkmale des Oberbegriffes des unabhängigen Anspruchs 1.
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In jedem der Dokumente JP H09- 162 594 A,
JP 2004 -
055 988 A und
US 6 246 560 B1 werden Abschirmungen zum Abschirmen von elektrischem Rauschen in einem elektrischen Gerät vorgeschlagen.
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Die Patentschrift
US 7 249 895 B2 offenbart einen optischen Transceiver, bei dem eine Signalmasse und eine Gehäusemasse unter Verwendung einer isolierenden Dichtung kapazitativ miteinander gekoppelt sind.
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Kurzbeschreibung
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Technisches Problem
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Eine Steuereinheit, die ein Steuerziel, wie beispielsweise ein Industrieroboter, steuert, umfasst eine Stromversorgungsplatine / Stromversorgungsleiterplatte (engl.: power supply board), die eine Steuerspannung erzeugt, und eine Steuerplatine / Steuerleiterplatte (engl.: control board), die das Steuerziel anhand der Steuerspannung steuert. Im Falle eines Industrieroboters weist die Steuereinheit manchmal eine Antriebsplatine/Antriebsleiterplatte (engl.: driving board) auf. In einer solchen Steuereinheit besteht die Möglichkeit, dass ein Rauschen auf der Stromversorgungsplatine negative Einflüsse auf die Steuerspannung auf der Steuerplatine verursacht. Um durch Vermeidung eines fehlerhaften Betriebs der Steuerplatine eine sehr zuverlässige Steuerung zu realisieren, ist es wünschenswert, die durch ein Rauschen verursachten negativen Einflüsse auf die Steuerspannung zu verringern.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Technik bereitzustellen, durch die in einer Steuereinheit negative Einflüsse von Rauschen auf eine Steuerspannung verringert werden können.
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Lösung des Problems
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Steuereinheit bereitgestellt. Die Steuereinheit umfasst: eine Stromversorgungsplatine, auf der eine Stromversorgungs-Steuerschaltung , die eine Steuerspannung erzeugt, ausgebildet ist; eine Steuerplatine, auf der eine Steuerschaltung, die anhand einer Steuerspannung betrieben wird, ausgebildet ist; und ein Verbindungsmedium, das die Stromversorgungsplatine und die Steuerplatine miteinander verbindet und dazu verwendet wird, die Steuerschaltung mit der Steuerspannung von der Stromversorgungs-Steuerschaltung zu speisen. Eine Signalmasse / Betriebserde (engl.: signal ground) der Stromversorgungs-Steuerschaltung und eine Signalmasse / Betriebserde (engl.: signal ground) der Steuerschaltung sind über eine Gehäusemasse, und nicht über das Verbindungsmedium, miteinander verbunden.
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Bevorzugte Weiterbildungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
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Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden Erfindung können in der Steuereinheit negative Einflüsse von Rauschen auf eine Steuerspannung verringert werden. Als Ergebnis wird die Betriebssicherheit der Steuereinheit verbessert.
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Figurenliste
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- 1 ist ein Blockschaltbild, das schematisch ein Konfigurationsbeispiel einer Steuereinheit gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
- 2 ist ein Blockschaltbild, das ein weiteres Konfigurationsbeispiel der Steuereinheit gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
- 3 ist ein Blockschaltbild, das schematisch ein Vergleichsbeispiel darstellt.
- 4 ist ein Blockschaltbild, das schematisch ein Konfigurationsbeispiel einer Steuereinheit gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
- 5 ist ein schematisches Diagramm, das ein Konfigurationsbeispiel einer Steuerplatine der Steuereinheit gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
- 6 ist ein Blockschaltbild, das schematisch ein Konfigurationsbeispiel einer Steuereinheit gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
- 7 ist ein Diagramm, welches eine Wirkung der vorliegenden Erfindung erläutert.
- 8 ist ein Diagramm, welches eine Wirkung der vorliegenden Erfindung erläutert.
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Beschreibung der Ausführungsformen
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.
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Erste Ausführungsform.
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1 ist ein Blockschaltbild, welches schematisch ein Konfigurationsbeispiel einer Steuereinheit 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Die Steuereinheit 1 umfasst eine Stromversorgungsplatine 10, eine Steuerplatine 20 und ein Verbindungsmedium 30.
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Die Stromversorgungsplatine 10 ist eine Leiterplatte, die eine Steuerspannung VC, welche von der Steuerplatine 20 verwendet wird, erzeugt. Genauer gesagt ist auf der Stromversorgungsplatine 10 eine Stromversorgungs-Steuerschaltung 11, die eine Steuerspannung VC erzeugt, angebracht. Zum Beispiel wandelt die Stromversorgungs-Steuerschaltung 11 eine Wechselspannung, welche von einer externen Wechselstromversorgung geliefert wird, in eine Gleichstrom-Steuerspannung VC um.
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Die Steuerplatine 20 ist eine Leiterplatte, die ein Steuerziel steuert. Insbesondere ist eine Steuerschaltung 21, welche ein Steuerziel steuert, auf der Steuerplatine 20 angebracht. Die Steuerschaltung 21 wird basierend auf der Steuerspannung VC, die von der Stromversorgungs-Steuerschaltung 11 erzeugt wird, betrieben und steuert das Steuerziel. Beispielhaft für eine Steuerschaltung 21 wird eine CPU angegeben.
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Das Verbindungsmedium 30 ist ein Medium (wie eine Leitung / ein Kabel oder ein Stecker), das die Stromversorgungsplatine 10 und die Steuerplatine 20 verbindet. Das Verbindungsmedium 30 wird für die Zuführung der Steuerspannung VC von der Stromversorgungs-Steuerschaltung 11 an die Steuerschaltung 21 verwendet. Genauer gesagt weist das Verbindungsmedium 30 eine Stromversorgungssignalleitung 31 auf, welche die Steuerspannung VC von der Stromversorgungs-Steuerschaltung 11 an die Steuerschaltung 21 weitergibt.
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Als Nächstes wird eine Massestruktur der Steuereinheit 1 gemäß der ersten Ausführungsform beschrieben.
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Eine Signalmasse SG1 der Stromversorgungs-Steuerschaltung 11 der Stromversorgungsplatine 10 ist elektrisch mit einer Gehäusemasse FG, welche außerhalb der Stromversorgungsplatine 10 vorgesehen ist, verbunden. Darüber hinaus ist eine Signalmasse SG2 der Steuerschaltung 21 der Steuerplatine 20 elektrisch mit der Gehäusemasse FG verbunden. Daher werden die Signalmasse SG1 der Stromversorgungs-Steuerschaltung 11 und die Signalmasse SG2 der Steuerschaltung 21 elektrisch über die Gehäusemasse FG miteinander verbunden. Gleichzeitig wird das oben beschriebene Verbindungsmedium 30 nicht zum Verbinden der Signalmasse SG1 und der Signalmasse SG2 verwendet. Das heißt, dass nach der ersten Ausführungsform die Signalmasse SG1 der Stromversorgungs-Steuerschaltung 11 und die Signalmasse SG2 der Steuerschaltung 21 über die Gehäusemasse FG und nicht über das Verbindungsmedium 30 miteinander verbunden sind.
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Typischerweise umfasst die Steuereinheit 1, wie in 2 gezeigt, ein Gehäuse 40, in dem die Stromversorgungsplatine 10, die Steuerplatine 20 und das Verbindungsmedium 30 untergebracht sind. Das Gehäuse 40 ist ein Gehäusemasse-Körper, der mit der Gehäusemasse FG verbunden ist. Ferner ist die Signalmasse SG1 der Stromversorgungs-Steuerschaltung 11 elektrisch mit dem Gehäuse 40 verbunden. Vorzugsweise ist die Signalmasse SG1 an einem einzigen Punkt mit dem Gehäuse 40 verbunden. Zum Beispiel ist die Signalmasse SG1 am Gehäuse 40 mit einer Schraube oder dergleichen befestigt. Auf ähnliche Weise ist die Signalmasse SG2 der Steuerschaltung 21 elektrisch mit dem Gehäuse 40 verbunden. Vorzugsweise ist die Signalmasse SG2 an einem einzigen Punkt mit dem Gehäuse 40 verbunden. Zum Beispiel wird die Signalmasse SG2 mit einer Schraube oder dergleichen am Gehäuse 40 befestigt.
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3 ist ein Blockschaltbild, das schematisch ein Vergleichsbeispiel darstellt. In dem Vergleichsbeispiel sind die Signalmasse SG1 der Stromversorgungs-Steuerschaltung 11 und die Signalmasse SG2 der Steuerschaltung 21 über das Verbindungsmedium 30 miteinander verbunden. Das heißt, dass das Verbindungsmedium 30 eine Signalmasseleitung/Massensignalleitung (engl. ground signal line) 32 aufweist, die die Signalmasse SG1 und die Signalmasse SG2 miteinander verbindet.
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Im Falle des Vergleichsbeispiels fließt ein Rauschen, das in die Signalmasse SG1 in der Stromversorgungsplatine 10 gemischt ist, über das Verbindungsmedium 30 (über die Signalmasseleitung 32) und die Signalmasse SG2 und breitet sich auf der Steuerplatine 20 aus. Das heißt, dass das Rauschen auf der Stromversorgungsplatine 10 durch das Verbindungsmedium 30 läuft und in die Steuerplatine 20 fließt. Das Rauschen, das auf diese Weise eintritt, bewirkt in der Steuerplatine 20 negative Einflüsse auf die Steuerspannung VC.
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Auf der anderen Seite sind gemäß der ersten Ausführungsform die Signalmasse SG 1 der Stromversorgungs-Steuerschaltung 11 und die Signalmasse SG2 der Steuerschaltung 21 über die Gehäusemasse FG, und nicht über das Verbindungsmedium 30, miteinander verbunden. Daher besteht keine Möglichkeit, dass das Rauschen, welches in die Signalmasse SG1 der Stromversorgungsplatine 10 gemischt ist, durch das Verbindungsmedium 30 und die Signalmasse SG2 läuft und sich auf der Steuerplatine 20 verbreitet.
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Stattdessen wird das Rauschen, das in die Signalmasse SG1 in der Stromversorgungsplatine 10 gemischt ist, über die Gehäusemasse FG entladen und von der Gehäusemasse FG absorbiert. Zum Beispiel wird das Rauschen in einer Gehäusemasse (nicht dargestellt) einer Verteilerplatine über eine Stromversorgungs-Gehäusemasseleitung aus dem Gehäuse 40 absorbiert. Da die Impedanz von der Gehäusemasse FG zu der Signalmasse SG2 der Steuerplatine 20 höher als die Impedanz von der Gehäusemasse FG zu der Gehäusemasse der Verteilerplatine ist, wird das Rauschen kaum von der Gehäusemasse FG auf die Signalmasse SG2 übertragen.
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Es kann gesagt werden, dass der vorliegende Erfinder die erste Person ist, die es erkannt hat, dass der Rauschunterdrückungseffekt, welcher erlangt wird, indem dafür gesorgt wird, dass das Rauschen in der Gehäusemasse FG absorbiert wird, Nachteile aufgrund des Weglassens der Signalmasseleitung 32 übersteigt.
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Mit der Steuereinheit 1 der ersten Ausführungsform wird wie oben beschriebenen verhindert, dass ein Rauschen auf der Stromversorgungsplatine 10 über das Verbindungsmedium 30 in die Steuerplatine 20 hineinfließt. Daher werden die negativen Einflüsse des Rauschens auf die Steuerspannung VC, die in der Steuerplatine 20 verwendet wird, reduziert. Als Ergebnis wird die Betriebssicherheit der Steuereinheit 1 verbessert.
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Zweite Ausführungsform.
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4 ist ein Blockschaltbild, welches schematisch ein Konfigurationsbeispiel der Steuereinheit 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Beschreibungen, die mit dem ersten Ausführungsbeispiel identisch sind, werden gegebenenfalls weggelassen.
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Gemäß der zweiten Ausführungsform ist die Signalmasse SG2 der Steuerschaltung 21 über ein Filterelement 22 mit der Gehäusemasse FG verbunden. Beispielsweise ist das Filterelement 22 auf der Steuerplatine 20 vorgesehen. Weiterhin kann beispielsweise als Filterelement 22 eine Induktivität verwendet werden. Alternativ zu dem Filterelement 22 ist es möglich, einen ganz kleinen Widerstand (engl.: minute resistance) zu verwenden, der klein genug ist, dass die Signalmasse SG2 und die Gehäusemasse FG als identisch zu betrachten sind.
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5 ist ein schematisches Diagramm, das ein Konfigurationsbeispiel der Steuerplatine 20 gemäß der zweiten Ausführungsform darstellt. Eine Struktur (engl.: pattern) der Signalmasse SG2 und des Filterelements 22 sind auf der Steuerplatine 20 ausgebildet. Ein Ende des Filterelements 22 ist mit der Struktur der Signalmasse SG2 verbunden, und das andere Ende des Filterelements 22 ist mittels einer Schraube 23 mit dem Gehäuse 40 (dem Rahmen des Massenkörpers) verbunden.
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Wie oben beschrieben, ist gemäß der zweiten Ausführungsform die Signalmasse SG2 über das Filterelement 22 mit der Gehäusemasse FG verbunden. Aufgrund dieser Konfiguration wird das Rauschen, das von der Gehäusemasse FG in die Signalmasse SG2 hineinfließt, weiter reduziert. Das heißt, dass die negativen Einflüsse des Rauschens auf die Steuerspannung VC, die in der Steuerplatine 20 verwendet wird, weiter reduziert werden, so dass dies eine bevorzugte Konfiguration ist.
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Dritte Ausführungsform.
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6 ist ein Blockschaltbild, das schematisch ein Konfigurationsbeispiel der Steuereinheit 1 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. In der dritten Ausführungsform wird als ein Anwendungsbeispiel ein Fall beschrieben, in dem die Steuereinheit 1 als ein Servoverstärker verwendet wird. Beschreibungen, die mit denjenigen der ersten Ausführungsform identisch sind, werden gegebenenfalls weggelassen.
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Die Steuereinheit 1 führt als ein Servoverstärker 100 die Antriebssteuerung eines Servomotors 110 durch. Die Steuereinheit 1 umfasst im Einzelnen, zusätzlich zu der oben beschriebenen Stromversorgungs-Steuerschaltung 11 und Steuerschaltung 21, eine Schalterschaltung 50 und eine Treiberschaltung (engl.: drive circuit) 51.
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Die Stromversorgungs-Steuerschaltung 11 wandelt eine von einer externen Wechselstromversorgung gelieferte Wechselspannung in eine Gleichspannungs-Steuerspannung VC um. Genauer gesagt weist die Stromversorgungs-Steuerschaltung 11 eine Leistungswandler-Schaltung (engl. power conversion circuit) 12 (eine interne Stromversorgung) und eine Ausgangsschaltung 14 auf. Ein Eingang der Leistungswandler-Schaltung 12 ist an die externe Wechselstromversorgung angeschlossen, und ein Ausgang der Leistungswandler-Schaltung 12 ist mit einer P-seitigen Stromleitung PA und einer N-seitigen Stromleitung NA verbunden. Die N-seitige Stromleitung NA ist geerdet. Die Leistungswandler-Schaltung 12 wandelt eine Wechselspannung, die von der externen Wechselstromversorgung bereitgestellt wird, in eine Gleichspannung um. Die Ausgangsschaltung 14 gibt auf der Basis der Gleichspannung eine Steuerspannung VC aus. In diesem Beispiel werden zwei Arten von Spannungen, nämlich Gleichspannung 5 V und Gleichspannung 3,3 V, als Steuerspannung VC verwendet.
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Die Steuerschaltung 21 wird in Abhängigkeit von der Steuerspannung VC, die von der Stromversorgungs-Steuerschaltung 11 erzeugt wird, betrieben. Insbesondere steuert die Steuerschaltung 21, basierend auf einen externen Befehl (nicht gezeigt), den Betrieb der Schalterschaltung 50 und der Treiberschaltung 51. Bei dieser Steuerung kann eine Positionsinformation, welche durch einen Kodierer 101 erfasst wird, der an dem Servomotor 100 ausgebildet ist, verwendet werden.
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Die Schalterschaltung 50 ist zwischen der externen Wechselstromversorgung und der Treiberschaltung 51 vorgesehen. Die Schalterschaltung 50 ist durch die Steuerschaltung 21 EIN/AUS gesteuert, so dass eine Versorgung mit einer Wechselspannung (einem Wechselstrom) von der externen Wechselstromversorgung an die Treiberschaltung 51 EIN und AUS geschaltet wird. Die Schalterschaltung 50 ist beispielsweise ein Relais.
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Die Treiberschaltung 51 betreibt den Servomotor 100 als eine Last entsprechend der von der Steuerschaltung 21 durchgeführten Steuerung. Genauer gesagt umfasst die Treiberschaltung 51 einen Wandler 52 und einen Inverter / Wechselrichter 54. Ein Eingang des Wandlers 52 ist mit der Schalterschaltung 50 verbunden und ein Ausgang des Wandlers 52 ist mit einer P-seitigen Stromleitung PB und einer N-seitigen Stromleitung NB verbunden. Die N-seitige Stromleitung NB ist geerdet. Der Wandler 52 wandelt eine Wechselspannung, die über die Schalterschaltung 50 geliefert wird, in eine Gleichspannung um. Der Inverter 54 wandelt die Gleichspannung in eine Wechselspannung um und gibt die umgewandelte Spannung an den Servomotor 100 aus.
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Bei dieser Ausgestaltung wird beispielsweise zum Zeitpunkt des Schaltens (Ein- und Ausschalten) der Schalterschaltung 50 ein Rauschen erzeugt. Es besteht eine Möglichkeit, dass das erzeugte Rauschen von der N-seitigen Stromleitung NB der Treiberschaltung 51 an die N-seitige Stromleitung NA der Stromversorgungs-Steuerschaltung 11 übertragen wird, wodurch negative Einflüsse auf die Steuerspannung VC verursacht werden. Es ist denkbar, die vorliegende Erfindung anzuwenden, um diese negativen Einflüsse des Rauschens auf die Steuerspannung VC in der Steuerschaltung 21 zu unterdrücken.
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Die 7 und 8 sind graphische Darstellungen, durch welche eine durch die Anwendung der vorliegenden Erfindung erlangte Wirkung erläutert wird. Genauer gesagt stellen die 7 und 8 ein Rauschen dar, das in der Steuerspannung VC in der Steuerschaltung 21 zum Zeitpunkt des Umschaltens der Schalterschaltung 50 von AUS auf EIN erzeugt wird. 7 stellt einen Fall eines oben beschriebenen und in 3 veranschaulichten Vergleichsbeispiels dar, bei dem die Signalmasse SG1 und die Signalmasse SG2 über das Verbindungsmedium 30 (die Signalmasseleitung 32) miteinander verbunden sind. Unterdessen, stellt 8 einen Fall der Verwendung der vorliegenden Erfindung dar.
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In den 7 und 8 stellt die vertikale Achse die Steuerspannung VC in der Steuerschaltung 21 dar und die horizontale Achse stellt die Zeit dar. Während der Maßstab der vertikalen Achse 1 V/div in den 7 und 8 gleich ist, ist zu beachten, dass der Maßstab der horizontalen Achse in den 7 und 8 unterschiedlich ist (2 µs/div in 7 und 500 ns/div in 8). Ferner werden in jeder der 7 und 8 sowohl die Gleichspannung 3.3 V (C1) als auch die Gleichspannung 5 V (C2) dargestellt.
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In dem in 7 gezeigten Vergleichsbeispiel ist die Amplitude des Rauschens zum Zeitpunkt des EIN-Schaltens wie folgt. Bei Gleichspannung 3.3 V (C1) betragen der Maximalwert und der Minimalwert der Rauschspannung jeweils 6.25 V und 0.04 V. Bei Gleichspannung 5 V (C2) betragen der Maximalwert und der Minimalwert der Rauschspannung jeweils 7.67 V und 1.79 V.
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Unterdessen ist, im Falle der vorliegenden Erfindung, wie in 8 dargestellt, die Amplitude des Rauschens zum Zeitpunkt des EIN-Schaltens wie folgt. Bei Gleichspannung 3.3 V (C1) betragen der Maximalwert und der Minimalwert der Rauschspannung jeweils 5.79 V und 0.7 V. Bei Gleichspannung 5 V (C2) betragen der Maximalwert und der Minimalwert der Rauschspannung jeweils 7.12 V und 3.04 V.
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Auf diese Weise ist es verständlich, dass beim Anwenden der vorliegenden Erfindung die Amplitude des Rauschens, das in der Steuerspannung VC erzeugt wird, verringert wird.
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Die obigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die obigen Ausführungsformen beschränkt und kann gegebenenfalls von Fachleuten modifiziert werden, ohne aus dem Schutzbereich der Erfindung herauszuführen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Steuereinheit,
- 10
- Stromversorgungsplatine,
- 11
- Stromversorgungs-Steuerschaltung,
- 12
- Leistungswandler-Schaltung,
- 14
- Ausgangsschaltung,
- 20
- Steuerplatine,
- 21
- Steuerschaltung,
- 22
- Filterelement,
- 23
- Schraube,
- 30
- Verbindungsmedium,
- 31
- Stromversorgungssignalleitung,
- 32
- Signalmasseleitung,
- 40
- Gehäuse,
- 50
- Schalterschaltung,
- 51
- Treiberschaltung,
- 52
- Wandler,
- 54
- Inverter,
- 100
- Servomotor,
- 101
- Kodierer,
- FG
- Gehäusemasse,
- SG1
- Signalmasse,
- SG2
- Signalmasse,
- VC
- Steuerspannung.
