JP2003219661A

JP2003219661A - サーボアンプ

Info

Publication number: JP2003219661A
Application number: JP2002015207A
Authority: JP
Inventors: Shinjiro Ono; 野真二郎小
Original assignee: Toshiba Machine Co Ltd
Current assignee: Shibaura Machine Co Ltd
Priority date: 2002-01-24
Filing date: 2002-01-24
Publication date: 2003-07-31

Abstract

(57)【要約】【課題】スナバ・コンデンサと半導体モジュールとの
間のインピーダンス成分をより小さくし短絡保護特性を
改善したサーボアンプを提供する。【解決手段】本発明によるサーボアンプ１１は、互い
に絶縁された導電板２２ａ、２２ｂを有する基板２０
と、互いに絶縁された配線３２ａ、３２ｂを有する基板
３０と、導電板２２ａおよび配線３２ａを電気的に接続
する導体４５ａと、導電板２２ｂおよび配線３２ｂを電
気的に接続する導体４５ｂと、それぞれ導電板２２ａ、
２２ｂに接続された逆極性の２つの電極を有し、基板２
０に配設された電解コンデンサ３と、それぞれ配線３２
ａ、３２ｂに接続された電極を有し、基板３０に配設さ
れた半導体モジュール４と、それぞれ配線３２ａ、３２
ｂに接続された逆極性の２つの電極を有し、基板３０に
配設されたスナバ・コンデンサ７とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、サーボアンプに関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、サーボアンプは、工作機械、
ロボット、射出成形機、ワイヤ放電加工機、電動プレス
等の各種産業機器のサーボ機構に頻繁に用いられてい
る。

【０００３】図３は、サーボモータを制御する典型的な
サーボアンプ１０の回路図である。サーボアンプ１０
は、交流電源１と、交流電源１からの交流を直流に変換
するダイオードブリッジ回路等の整流回路２と、その直
流電流をほぼ一定に平滑化する電解コンデンサ３と、そ
の直流を任意の交流に変換しサーボモータ６を駆動する
半導体モジュール４と、半導体モジュール４を制御する
制御回路５とを備える。

【０００４】典型的には、半導体モジュール４はIGBT
（Insulated Gate Bipolar Transistor）などのパワー
半導体装置を有する。

【０００５】サーボアンプ１０は、半導体モジュール４
に並列に接続されたスナバ・コンデンサ７をさらに備え
る。スナバ・コンデンサ７は、IGBT９をオフにしたとき
に、IGBT９のエミッタとコレクタとの間において急激に
上昇する電圧を緩和する。即ち、スナバ・コンデンサ７
はIGBT９の短絡保護のために設けられている。

【０００６】図４は、従来のサーボアンプ１０の概略側
面図である。尚、図３の回路図における構成要素と同じ
構成要素には、図３における参照番号と同一の参照番号
が付されている。

【０００７】電解コンデンサ３は基板２０の表面に実装
され、半導体モジュール４は基板２０の裏面に実装され
ている。基板２０は、絶縁体２１を挟むことによって絶
縁された２枚の銅板２２から形成されている。銅板２２
の表面はさらに絶縁体２３によって被覆されている。

【０００８】銅板２２には、整流回路２（図４には図示
せず）が接続され、それによって、２枚の銅板２２のう
ち一方が陽極、他方が陰極になる。電解コンデンサ３、
半導体モジュール４およびスナバ・コンデンサ７のそれ
ぞれの電極は、対応する電極の銅板２２に接続されてい
る。従って、図３に示すように、整流回路２、電解コン
デンサ３、半導体モジュール４およびスナバ・コンデン
サ７は、銅板２２によって互いに並列に接続されてい
る。

【０００９】半導体モジュール４に接触するように配設
されたヒートシンク５０は半導体モジュール４から発生
する熱を放散する。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】従来からサーボアンプ
１０において、半導体モジュール４の電極は、銅からな
る金属バー４０を介して銅板２２へ接続されている。ス
ナバ・コンデンサ７は、リード線６０を介してそれぞれ
の半導体モジュール４の電極に接続されている。

【００１１】通常、リード線６０の端部には圧着端子
（図示せず）が取り付けられている。圧着端子の一端が
スナバ・コンデンサ７の電極に取り付けられ、その他端
が半導体モジュール４の電極または金属バー４０へ取り
付けられる。それによって、半導体モジュール４とスナ
バ・コンデンサ７とが電気的に接続される。

【００１２】従来においては、このようにスナバ・コン
デンサ７と半導体モジュール４との間の接続にリード線
６０が用いられていた。従って、リード線６０によっ
て、スナバ・コンデンサ７と半導体モジュール４との間
のインピーダンスが高くなってしまう。それにより、IG
BT９をオンからオフへ切り替えたときに、スナバ・コン
デンサ７は、IGBT９のエミッタとコレクタとの間におけ
る急激な電圧の上昇に対応することができない。従っ
て、IGBT９のエミッタとコレクタとの間の電圧が急激に
上昇してしまう。その電圧がIGBT９の耐圧を超えた場合
には、IGBT９は短絡し破壊されてしまう。尚、図３にお
いて、このインピーダンス成分は、参照番号８で示され
ている。

【００１３】また、リード線６０の長さがばらつくとい
う問題がある。半導体モジュール４のそれぞれに対して
スナバ・コンデンサ７が設けられている場合には、それ
ぞれのリード線６０の長さが異なることによって、それ
ぞれのインピーダンス成分がばらついてしまう。それに
よって、スナバ・コンデンサ７はそれぞれの半導体モジ
ュール４に対して短絡保護の効果を等しく与えることが
できない。

【００１４】IGBTの短絡保護能力の改善に関する公知技
術としては、特許第2916133号がある。しかし、この公
知技術を用いたとしても、IGBT９をオンからオフへ切り
替えた場合等にIGBT９に掛かる電圧がその耐圧を超えて
しまいIGBT９が短絡してしまう場合が生じていた。

【００１５】一般に、半導体モジュール４の電極間のピ
ッチとスナバ・コンデンサ７の電極間のピッチとは一致
しない。従って、リード線６０を用いないでサーボアン
プを形成することが困難である。

【００１６】また、半導体モジュール４およびスナバ・
コンデンサ７の取り付け位置は制限されており、並び
に、半導体モジュール４およびスナバ・コンデンサ７の
筐体の大きさも小さくするのには限界がある。従ってリ
ード線６０の長さを短くすることにも限度がある。さら
に、一般に、工作機械等に用いられるサーボ機構は、非
常に大きな電流を扱う必要がある。従って、サーボアン
プ全体を小型化するのにも限界がある。

【００１７】そこで、本発明の目的は、スナバ・コンデ
ンサ７と半導体モジュール４との間のインピーダンス成
分８をより小さくし短絡保護特性を改善したサーボアン
プを提供することである。

【００１８】また、本発明の目的は、スナバ・コンデン
サ７と半導体モジュール４との間のインピーダンス成分
８を、それぞれの半導体モジュール４に対して等しくし
たサーボアンプを提供することである。

【００１９】さらに、本発明の目的は、従来よりも小型
化が可能なサーボアンプを提供することである。

【００２０】

【課題を解決するための手段】本発明に従った第1の実
施の形態によるサーボアンプは、互いに絶縁された第1
の導電板および第２の導電板を有する第１の基板と、互
いに絶縁された第１の配線および第２の配線を有する第
２の基板と、前記第1の導電板および前記第１の配線を
電気的に接続する第１の導体と、前記第２の導電板およ
び前記第２の配線を電気的に接続する第２の導体と、そ
れぞれ前記第1の導電板および前記第２の導電板に電気
的に接続された逆極性の２つの電極を有し、前記第１の
基板に配設された電解コンデンサと、それぞれ前記第１
の配線および前記第２の配線に電気的に接続された逆極
性の２つの電極を有し、前記第２の基板に配設された半
導体モジュールと、それぞれ前記第１の配線および前記
第２の配線を介して前記半導体モジュールへ電気的に接
続された逆極性の２つの電極を有し、前記第２の基板に
配設されたスナバ・コンデンサとを備える。

【００２１】本発明に従った第２の実施の形態によるサ
ーボアンプは、互いに絶縁された第1の導電板、第２の
導電板、第１の配線および第２の配線を有する基板と、
前記第1の導電板および前記第１の配線を電気的に接続
する第１の導体と、前記第２の導電板および前記第２の
配線を電気的に接続する第２の導体と、それぞれ前記第
1の導電板および前記第２の導電板に電気的に接続され
た２つの電極を有し、前記基板に配設された電解コンデ
ンサと、それぞれ前記第１の配線および前記第２の配線
に電気的に接続された電極を有し、前記基板に配設され
た半導体モジュールと、それぞれ前記第１の配線および
前記第２の配線を介して前記半導体モジュールへ電気的
に接続された逆極性の２つの電極を有し、前記基板に配
設されたスナバ・コンデンサとを備える。

【００２２】好ましくは、前記半導体モジュールは、Ｉ
ＧＢＴからなる。

【００２３】好ましくは、前記第１の導体および前記第
２の導体の両方またはいずれか一方は、前記第１の基板
と前記第２の基板とを固定する結合部材である。

【００２４】好ましくは、前記第１の導体および前記第
２の導体の両方またはいずれか一方は、前記基板を一体
として結合する結合部材である。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照し、本発明によ
る実施の形態を説明する。尚、本実施の形態は本発明を
限定するものではない。

【００２６】図１は、本発明による第1の実施の形態に
従ったサーボアンプ１１の概略断面図である。

【００２７】サーボアンプ１１は、基板２０および基板
３０を備える。基板２０は、絶縁材料２１によって互い
に絶縁された２枚の導電板２２ａ、２２ｂを有する。導
電板２２ａ、２２ｂの表面はさらに絶縁材料によって被
覆されている。絶縁材料２１は、例えば、マイカなど高
電圧に対して耐性の高い材料である。導電板２２ａ、２
２ｂは、例えば、銅などの導電性の高い金属である。

【００２８】基板３０は、絶縁材料３１によって互いに
絶縁された配線３２ａ、３２ｂを有する。絶縁材料３１
は、例えば、エポキシ樹脂などである。配線３２ａ、３
２ｂは、例えば、銅配線などの導電性の高い金属であ
る。即ち、本実施の形態において、基板３０は、銅配線
のパターンを有するプリント基板である。

【００２９】導電板２２ａと配線３２ａとの間を電気的
に接続するために金属バー４５ａが設けられており、導
電板２２ｂと配線３２ｂとの間を電気的に接続するため
に金属バー４５ｂが設けられている。

【００３０】逆極性の電極を有する電解コンデンサ３は
基板２０上に搭載されている。電解コンデンサ３の逆極
性の電極の一方は金属板２２ａに接続され、その他方は
金属板２２ｂに接続されている。電解コンデンサ３は複
数個設けられ、そのそれぞれは金属板２２ａ、２２ｂに
よって並列に接続されている。

【００３１】パワー半導体装置（本実施の形態において
は、IGBT）を有する半導体モジュール４は、基板３０の
下側に配設されている。半導体モジュール４の電極のう
ち一方は金属バー４０ａを介して配線３２ａに接続さ
れ、他方は金属バー４０ｂを介して配線３２ｂに接続さ
れている。

【００３２】また、半導体モジュール４がオンからオフ
へ切り替えられたときに、半導体モジュール４に高電圧
が掛かることを防止するスナバ・コンデンサ７が基板３
０の下側に配備されている。スナバ・コンデンサ７の電
極のうち一方は金属バー６５ａを介して配線３２ａに接
続され、他方は金属バー６５ｂを介して配線３２ｂに接
続されている。スナバ・コンデンサ７は、隣り合う半導
体モジュール４の間に設けられ、それぞれの隣り合う半
導体モジュール４から等しい距離だけ離間して配置され
ている。金属バー４０ａ、４０ｂ、４５ａ、４５ｂ、６
５ａおよび６５ｂは、例えば、銅などの導電性の高い金
属である。

【００３３】半導体モジュール４のうち基板３０と接続
されている面に対して反対側の面にはヒートシンク５０
が取り付けられ、ヒートシンク５０は半導体モジュール
４から発する熱を放散させる。

【００３４】上述の通り、一般に、工作機械等に用いら
れるサーボ機構は、非常に大きな電流を扱う必要があ
る。従って、非常に容量の大きな電解コンデンサを要す
る。通常は、図１に示すように、複数の電解コンデンサ
３を並列接続して全体の容量を大きくしている。また、
電解コンデンサ３を接続する導電板２２ａ、２２ｂに
は、大きな電流を流すために銅などの導電性の高い材料
を用いる必要がある。

【００３５】また、本実施の形態における、導電板２２
ａ、２２ｂと半導体モジュール４の電極との間を接続す
る金属バー４５ａ、４５ｂ、６５ａ、６５ｂにも、大き
な電流を流すために銅などの導電性の高い材料を用い
る。一方で、導電板２２ａと導電板２２ｂとの間には、
マイカなどの非常に大きな電圧に対して絶縁性を有する
絶縁体が用いられる。

【００３６】さらに、半導体モジュール４からのインピ
ーダンス８（図３参照）を低下させるために、配線３２
ａおよび３２ｂにも、銅などの導電性の高い材料が用い
られている。

【００３７】即ち、サーボアンプ１１の回路は、図３に
示された回路とほぼ同じ構成の回路図になる。しかし、
サーボアンプ１１は、比較的導電率の高い金属バーおよ
び配線を介して半導体モジュール４に接続されている。
従って、サーボアンプ１１の回路は、従来の回路に対し
て、半導体モジュール４およびスナバ・コンデンサ７の
間のインピーダンス成分８の大きさが従来よりも小さい
点で異なる。

【００３８】次に、サーボアンプ１１の動作とともにそ
の効果を説明する。

【００３９】サーボアンプ１１の導電板２２ａおよび２
２ｂには、サーボアンプ１０における銅板２２と同様
に、直流電圧が印加され、電解コンデンサ３がその直流
電流をほぼ一定に平滑化する。導電板２２ａおよび２２
ｂには、それぞれ相反する極性の電流が供給される。

【００４０】電解コンデンサ３により平滑化された電流
は、金属バー４５ａ、４５ｂを介して基板３０の配線３
２ａ、３２ｂへそれぞれ供給される。さらに、金属バー
４０ａ、４０ｂを介して配線３２ａ、３２ｂへそれぞれ
接続された半導体モジュール４に電流が供給される。そ
れによって、半導体モジュール４は、直流を任意の交流
に変換しサーボモータ等の制御対象を駆動する。

【００４１】制御対象の動作を切り替えるために半導体
モジュール４を導通状態から非導通状態へ切り替える場
合には、半導体モジュール４の内部にあるIGBT（図３の
IGBT９を参照）がオン状態からオフ状態へ切り替えられ
る。

【００４２】このとき、スナバ・コンデンサ７がない場
合やスナバ・コンデンサ７が充分に迅速に動作しない場
合には、IGBTのコレクタ−エミッタ間を流れようとする
電流によって、コレクタ−エミッタ間電圧が急激に上昇
してしまう。以下、この急激に上昇するコレクタ−エミ
ッタ間電圧をスパイク電圧という。スパイク電圧がIGBT
のコレクタ−エミッタ間の耐圧を超えた場合、IGBTは破
壊され短絡してしまう。

【００４３】本実施の形態によれば、基板３０を用いる
ことによって、スナバ・コンデンサ７は、導電性の高い
材料からなる配線３２ａ、３２ｂおよび金属バー４０
ａ、４０ｂ、４５ａ、４５ｂ、６５ａ、６５ｂを介して
半導体モジュール４へ接続され得る。即ち、スナバ・コ
ンデンサ７は、リード線を用いることなく、導電性の高
い接続経路により半導体モジュール４へ接続され得る。
従って、半導体モジュール４からみたインピーダンス成
分８が比較的低くなる。それによって、半導体モジュー
ル４内のIGBTがオン状態からオフ状態へ切り替えられた
ときに、スナバ・コンデンサ７が、迅速にIGBTのコレク
タ−エミッタ間に流れようとする電荷の一部を蓄積して
スパイク電圧の発生を防止する。従って、半導体モジュ
ール４内のIGBTの短絡保護が確実に達成される。

【００４４】また、スナバ・コンデンサ７から半導体モ
ジュール４までのインピーダンスは、配線３２ａ、３２
ｂのパターンの長さや幅を変更することによって容易に
設定できる。

【００４５】さらに、スナバ・コンデンサ７は、隣り合
う半導体モジュール４に対して等しい距離で離間してい
る。それによって、それぞれの半導体モジュール４に対
して配線３２ａ、３２ｂの長さを均一にすることが容易
になる。即ち、それぞれの半導体モジュール４に対する
インピーダンス成分８が、それぞれの半導体モジュール
４ついてほぼ等しくなり得る。従って、スナバ・コンデ
ンサ７は、例えば、一部の半導体モジュール４のみをス
パイク電圧から保護するという事態を招致しない。即
ち、スナバ・コンデンサ７は、総ての半導体モジュール
４をスパイク電圧から等しく保護する。

【００４６】尚、本実施の形態によれば、金属バー４５
ａまたは金属バー４５ｂの両方またはいずれか一方をボ
ルトとナットの対などの結合部材としてもよい。それに
よって、金属バー４５ａまたは金属バー４５ｂは、導電
板２２ａ、２２ｂと配線３２ａ、３２ｂと間を電気的に
接続するだけでなく、機械的に基板２０および基板３０
とを互いに固定する作用も有する。

【００４７】図２は、本発明による第２の実施の形態に
従ったサーボアンプ１２の概略断面図である。尚、第１
の実施の形態における構成要素と実質的に同じ構成要素
については、同一の参照番号が付されている。

【００４８】サーボアンプ１２に使用されている基板７
０は、第１の実施の形態における基板２０および基板３
０を一体形成したものである、という点で第１の実施の
形態と異なる。尚、導電板２２ｂと配線３２ａとは、絶
縁体２３ｂによって絶縁されている。

【００４９】本実施の形態は、第1の実施の形態と同様
の効果を有する。また、基板２０および基板３０が一体
形成された基板７０を用いることによって、サーボアン
プ１２はより小型化される。

【００５０】尚、基板７０は、導電板２２ｂと配線３２
ａとの間を接着剤などによって接着することによって形
成されてもよい。また、基板７０は、基板２０と基板３
０との間をボルトとナットなどの結合部材を用いて結合
することによっても形成され得る。

【００５１】例えば、導電板２２ｂと配線３２ａとの間
にボルトとナットとを用いる場合には、金属バー４５ａ
または金属バー４５ｂの両方またはいずれか一方をボル
トとナットとの対とする。それによって、金属バー４５
ａまたは金属バー４５ｂは、導電板２２ａ、２２ｂと配
線３２ａ、３２ｂと間を電気的に接続するだけでなく、
機械的に基板２０と基板３０とを一体に結合する作用も
有する。また、金属バーをボルトとナットとの対にする
ことにより半導体モジュール４とスナバ・コンデンサ７
との間の接続経路をさらに短くできるので、インピーダ
ンス成分８がさらに低下し得る。

【００５２】

【発明の効果】本発明によるサーボアンプは、スナバ・
コンデンサと半導体モジュールとの間のインピーダンス
成分をより小さくすることによって、短絡保護特性を改
善することができる。

【００５３】本発明によるサーボアンプは、スナバ・コ
ンデンサと半導体モジュールとの間のインピーダンス成
分を、それぞれの半導体モジュールに対して容易に等し
くすることができる。

【００５４】さらに、本発明によるサーボアンプは、従
来よりも小型化が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による第1の実施の形態に従ったサーボ
アンプ１１の概略断面図。

【図２】本発明による第２の実施の形態に従ったサーボ
アンプ１２の概略断面図。

【図３】サーボモータを制御する典型的なサーボアンプ
１０の回路図。

【図４】従来のサーボアンプ１０の概略側面図。

【符号の説明】

３電解コンデンサ７スナバ・コンデンサ８インピーダンス成分４半導体モジュール１０、１１、１２サーボアンプ２０、３０、７０基板２２ａ、２２ｂ導電板２１、３１絶縁材料３２ａ、３２ｂ配線４０ａ、４０ｂ金属バー４５ｂ、４５ａ金属バー６５ａ、６５ｂ金属バー５０ヒートシンク

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】互いに絶縁された第1の導電板および第２
の導電板を有する第１の基板と、互いに絶縁された第１の配線および第２の配線を有する
第２の基板と、前記第1の導電板および前記第１の配線を電気的に接続
する第１の導体と、前記第２の導電板および前記第２の配線を電気的に接続
する第２の導体と、それぞれ前記第1の導電板および前記第２の導電板に電
気的に接続された逆極性の２つの電極を有し、前記第１
の基板に配設された電解コンデンサと、それぞれ前記第１の配線および前記第２の配線に電気的
に接続された逆極性の２つの電極を有し、前記第２の基
板に配設された半導体モジュールと、それぞれ前記第１の配線および前記第２の配線を介して
前記半導体モジュールへ電気的に接続された逆極性の２
つの電極を有し、前記第２の基板に配設されたスナバ・
コンデンサとを備えたサーボアンプ。
【請求項２】互いに絶縁された第1の導電板、第２の導
電板、第１の配線および第２の配線を有する基板と、前記第1の導電板および前記第１の配線を電気的に接続
する第１の導体と、前記第２の導電板および前記第２の配線を電気的に接続
する第２の導体と、それぞれ前記第1の導電板および前記第２の導電板に電
気的に接続された２つの電極を有し、前記基板に配設さ
れた電解コンデンサと、それぞれ前記第１の配線および前記第２の配線に電気的
に接続された電極を有し、前記基板に配設された半導体
モジュールと、それぞれ前記第１の配線および前記第２の配線を介して
前記半導体モジュールへ電気的に接続された逆極性の２
つの電極を有し、前記基板に配設されたスナバ・コンデ
ンサとを備えたサーボアンプ。
【請求項３】前記半導体モジュールは、ＩＧＢＴからな
ることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のサ
ーボアンプ。
【請求項４】前記第１の導体および前記第２の導体の両
方またはいずれか一方は、前記第１の基板と前記第２の
基板とを固定する結合部材であることを特徴とする請求
項１に記載のサーボアンプ。
【請求項５】前記第１の導体および前記第２の導体の両
方またはいずれか一方は、前記基板を一体として結合す
る結合部材であることを特徴とする請求項２に記載のサ
ーボアンプ。