JP2007021611A - 移動ロボット用放熱構造 - Google Patents

Abstract

【課題】移動ロボットが電気装置等の発熱体を他の構造物と一緒に高密度に搭載している場合でも、移動ロボットの内部の発熱体を充分に冷却し得るようにすることにある。
【解決手段】 人型歩行ロボットの上腕部３ａ内の複数のＣＰＵ５ａから出る熱をヒートシンク３ｅから外部に放熱する移動ロボット用放熱構造において、間に隙間を空けて並置した二枚の伝熱板８ａをそれらの一端部で一体的に結合して構成した複数の熱伝導体８を具え、前記複数のＣＰＵ５ａを二つずつ対にし、前記各熱伝導体８の二枚の伝熱板８ａの互いに対抗する外側面に対し前記各対の二つのＣＰＵ５ａをそれぞれ熱伝導可能に配置し、前記複数の熱伝導体８の二枚の伝熱板８ａの結合部８ｃを前記ヒートシンク３ｅに一体的に結合したことを特徴とする、移動ロボット用放熱構造である。
【選択図】図１

Description

この発明は、移動ロボットの内部の複数の発熱体から出る熱をヒートシンク等の放熱部材から外部に放熱する移動ロボット用放熱構造に関するものである。

移動ロボットは近年、自律的に移動するために歩行制御回路等の電気装置を内蔵しており（例えば特許文献１参照）、その電気装置は作動し続けるとかなりの熱を発生する発熱体となるため、その熱を効率良く外部に排出しないとその電気装置ひいては移動ロボットの動作が不安定になり、甚だしい場合は移動ロボットが動作停止に至ってしまうという不都合がある。
特開２００２−１５４０８３号公報

ところで、放熱部材の一種であるヒートシンクは通常、発熱体から熱伝導で受けた熱を放熱するため、発熱体に密接させて設けている。しかしながら、移動ロボットは一般に高密度に電気装置を搭載していることから、内部にヒートシンクを配置するスペースが充分ないので、常に充分な大きさのヒートシンクを設けられるとは限らず、しかもヒートシンクがスペースを取り過ぎてしまうと内部での冷却風の流れが悪くなり、これらによって電気装置の発熱量に対しヒートシンクの放熱能力が不足すると、電気装置を充分に冷却することができないという問題があった。

さらに、近年は移動ロボットへの防塵防滴の要請から、移動ロボットの内部に冷却風を効率良く流すことができない場合があるという問題もあった。また、内部に封入した液体の相変化で熱を移動させるヒートパイプも知られているが、ヒートパイプは曲げ半径の制約があって、高密度実装では所望の配置ができない場合があるという問題があった。

それゆえこの発明は、放熱部材とは別に設けた熱伝導率の比較的良い金属材料等からなる熱伝導体で発熱体の熱を放熱部材に運んで、適当な場所に配置した充分な大きさの放熱部材で放熱することにより、移動ロボットの内部の発熱体を充分に冷却し得るようにすることを目的とするものであり、この発明の移動ロボット用放熱構造は、移動ロボットの内部の複数の発熱体から出る熱を放熱部材から外部に放熱する移動ロボット用放熱構造において、間に隙間を空けて並置した二枚の伝熱板をそれらの端部で一体的に結合して構成した一または複数の熱伝導体を具え、前記複数の発熱体を二つずつ一または複数の対にし、前記各熱伝導体の前記二枚の伝熱板の互いに対抗する外側面に対し前記対をなす二つの発熱体をそれぞれ熱伝導可能に配置し、前記一または複数の熱伝導体の前記二枚の伝熱板の結合部を前記放熱部材に一体的に結合したことを特徴とするものである。

かかる移動ロボット用放熱構造にあっては、移動ロボットの内部の電気装置等の複数の発熱体が二つずつ対になっていて、対をなす二つの発熱体が、例えばアルミ合金や銅合金等の熱伝導率の比較的良い金属材料等からなる各熱伝導体の並置した二枚の伝熱板の互いに対抗する外側面に対し直接接触あるいは伝熱グリス等を介した間接接触によりそれぞれ熱伝導可能に配置されており、それらの発熱体が発熱すると、それらの発熱体の熱が二枚の伝熱板の互いに対抗する外側面に熱伝導で伝えられ、二枚の伝熱板の間は隙間が空いているので空気中の熱伝達となり、発熱体からの熱は熱伝達より熱抵抗の低い熱伝導で二枚の伝熱板の内部をそれらの伝熱板の一端部あるいは両端部の結合部まで伝えられ、その結合部に一体的に結合されたヒートシンク等の放熱部材にさらに熱伝導で伝えられてその放熱部材から放熱される。ここで、放熱部材は、良好な放熱能力があればヒートシンクには限られず、例えば表面積の広い金属性フレーム等でも良い。

従って、この発明の移動ロボット用放熱構造によれば、移動ロボットが電気装置等の発熱体を他の構造物と一緒に高密度に搭載していても、発熱体から出た熱を、放熱部材とは別に設けた熱伝導効率の良い熱伝導体によって放熱部材に運んで、適当な場所に配置した充分な大きさの放熱部材で放熱することができるので、移動ロボットの内部の発熱体を充分に冷却することができる。

なお、この発明の移動ロボット用放熱構造においては、前記二枚の伝熱板の間に断熱材を介装しても良く、このようにすれば、二枚の伝熱板に伝わった熱が断熱材で遮られてそれらの伝熱板の間の隙間に熱伝達で漏れないので、伝熱板の端部の結合部に熱伝導で効率良く熱を流し得て、放熱部材からの放熱量をより多くすることができるとともに、対をなす発熱体間に温度差がある場合でも温度の低い方の発熱体に熱が流れるのを防止することができる。

また、この発明の移動ロボット用放熱構造においては、複数の前記熱伝導体の前記二枚の伝熱板の結合部を連結部を介して互いに一体的に結合し、前記連結部を前記放熱部材に一体的に結合しても良く、このようにすれば、放熱部材の剛性をその連結部を結合した部分付近だけ高めれば良いので、放熱部材を軽量に構成することができる。

さらに、この発明の移動ロボット用放熱構造においては、前記移動ロボットは歩行ロボットであっても良い。また前記発熱体は前記移動ロボットの腕または脚の内部に位置し、前記放熱部材は前記腕または脚の外部に面していても良く、このようにすれば、移動ロボットの腕または脚の内部に搭載された分散制御系の電気装置を効率良く冷却することができる。

以下に、この発明の実施の形態を実施例によって、図面に基づき詳細に説明する。ここに、図１は、この発明の移動ロボット用放熱構造の一実施例としての、人型歩行ロボットの電気装置としての腕用制御基板のＣＰＵの冷却用の放熱構造を示す、後述の図３（ｂ）中のＡ−Ａ線に沿う横断面図、図２（ａ），（ｂ）および（ｃ）は、上記実施例の放熱構造を具える人型歩行ロボットを例示する正面図，側面図および背面図、図３（ａ）および（ｂ）は、その人型歩行ロボットの上腕部を示す正面図およびその図３（ａ）中のＢ−Ｂ線に沿う縦断面図、そして図４（ａ），（ｂ）および（ｃ）は、その人型歩行ロボットの上腕部内に収容された上記腕用制御基板と上記実施例の放熱構造との構成を示す分解斜視図、組立斜視図およびその図４（ｂ）中のＣ−Ｃ線に沿う断面図である。

この実施例の放熱構造を具える移動ロボットの一例としての人型歩行ロボットは、図２（ａ），（ｂ）および（ｃ）に示すように、胴体１の下に二本の脚部２を具え、それらの脚部２で既知の方法により倒立振り子的に動的バランスをとりながら歩行するものである。この人型歩行ロボットはまた、胴体１のロボット自身から見て左右に腕部３を具えるとともに、胴体１上に頭部４を具えており、ここで、胴体１は、腰部１ｃで互いに前後および左右回動可能に連結された上半部１ａと下半部１ｂとからなっている。

また、上記人型歩行ロボットの腕部３は、上腕部３ａとその上腕部３ａの肘部３ｂで屈曲可能に連結された前腕部３ｃとを有しており、その上腕部３ａの防塵防滴構造の殻状のフレーム３ｄ内には、図３および図１に示すように、肘部３ｂの駆動用モータが収納されている他、その肘部の駆動用モータや手首部および手部のそれぞれの駆動用モータの作動を制御するための分散制御系を構成する四枚のノードコンピュータ基板５および二枚のマルチチャンネルモータドライバ基板６と、それらの基板の電源用のＤＣ−ＤＣコンバータ基板７とが収納されている。

ここで、ノードコンピュータ基板５は、図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、各々発熱体としてのＣＰＵ５ａを搭載して二枚ずつ対になり、各対で向き合わせに配置されており、各対のノードコンピュータ基板５の二つのＣＰＵ５ａの間には、この実施例の放熱構造を構成する熱伝導体８の後述する二枚の伝熱板８ａが介装され、それらの伝熱板８ａの互いに対抗する外側面はそれぞれ、その外側面に対向するＣＰＵ５ａに直接密接（密着接触）してそのＣＰＵ５ａから熱伝導で熱を受けるようになっている。

ここにおける熱伝導体８は、例えばアルミ合金や銅合金等の熱伝導率の比較的良い（高い）金属材料によって形成し、間に隙間を空けて並置した上記二枚の伝熱板８ａをそれらの一端部の結合部８ｃで一体に結合するとともに、それら二枚の伝熱板８ａの間の隙間に、例えば耐熱性ウレタンやグラスウールやベークライト等の熱伝導率の比較的悪い（低い）断熱材８ｂを挟み込み、さらにその結合部８ｃをこれも熱伝導率の比較的良い（高い）金属材料によって形成した支持板８ｄにネジ止めして構成したものであり、その支持板８ｄは、図１に示すように、上腕部３ａの殻状のフレーム３ｄの後部に熱伝導で熱を伝え得るようにそのフレーム３ｄの後部の内面にボルトで密着固定されている。

そしてここにおける上腕部３ａの殻状のフレーム３ｄの後部外面には、腕の長手方向へ延在する多数のフィンを持つヒートシンク３ｅがそのフレーム３ｄと一体に形成されている。

また、この実施例の放熱構造では、上腕部３ａのフレーム３ｄ内の上記ＤＣ−ＤＣコンバータ基板７に搭載された発熱体としての電源素子が、上腕部３ａの殻状のフレーム３ｄの後部に熱伝導で熱を伝え得るようにそのフレーム３ｄの後部の内面に、熱伝導率の良いシリコンシートを介して間接的に密接している。

さらに、この実施例の放熱構造では、熱伝導体８と同様に、例えばアルミ合金や銅合金等の熱伝導率の比較的良い（高い）金属材料によって形成し、間に隙間を空けて並置した二枚の伝熱板９ａをそれらの一端部の結合部９ｃで一体に結合するとともに、それら二枚の伝熱板９ａの間の隙間に、例えば耐熱性ウレタンやグラスウールやベークライト等の熱伝導率の比較的悪い（低い）断熱材９ｂを挟み込んで形成した熱伝導体９を、上腕部３ａのフレーム３ｄ内の上記二枚のマルチチャンネルモータドライバ基板６の間に挟み込んであり、その熱伝導体９の二枚の伝熱板９ａの両外側面は、それら二枚のモータドライバ基板６にそれぞれ搭載された発熱体としてのモータ制御用素子に熱伝導で熱を伝え得るよう直接密接しており、その熱伝導体９の結合部９ｃは、図３（ｂ）に示すように、フレーム３ｄの下部の内面にボルトで密着固定されている。

かかる実施例の移動ロボット用放熱構造にあっては、歩行ロボットの上腕部３ａの内部の四枚のノードコンピュータ基板５の、発熱体としてのＣＰＵ５ａが二つずつ対になっていて、各対の二つのＣＰＵ５ａが、熱伝導率の比較的良い金属材料からなる各熱伝導体８の並置した二枚の伝熱板８ａの互いに対抗する外側面に対し直接密接してそれぞれ熱伝導可能とされており、それらのＣＰＵ５ａが発熱すると、それらのＣＰＵ５ａの熱が二枚の伝熱板８ａの互いに対抗する外側面に熱伝導で伝えられ、二枚の伝熱板８ａの間の隙間には断熱材８ｂが入っているので、ＣＰＵ５ａからの熱は断熱材８ｂより熱抵抗の低い二枚の伝熱板８ａの内部の熱伝導でそれらの伝熱板８ａの一端部の結合部８ｃまで伝えられ、その結合部８ｃに支持板８ｄを介して一体的に結合されたフレーム３ｄの後部の内面からその外面のヒートシンク３ｅにさらに熱伝導で伝えられて、そのヒートシンク３ｅから外部に放熱される。

さらに同様にして、歩行ロボットの上腕部３ａの内部の二枚のモータドライバ基板６の、発熱体としてのモータ制御用素子が二つ対になっていて、その対の二つのモータ制御用素子が、熱伝導率の比較的良い金属材料からなる熱伝導体９の並置した二枚の伝熱板９ａの互いに対抗する外側面に対し直接密接してそれぞれ熱伝導可能とされており、それらのモータ制御用素子が発熱すると、それらのモータ制御用素子の熱が二枚の伝熱板９ａの互いに対抗する外側面に熱伝導で伝えられ、二枚の伝熱板９ａの間の隙間には断熱材９ｂが入っているので、モータ制御用素子からの熱は断熱材９ｂより熱抵抗の低い二枚の伝熱板９ａの内部の熱伝導でそれらの伝熱板９ａの一端部の結合部９ｃまで伝えられ、その結合部９ｃに一体的に結合された殻状のフレーム３ｄの下部にさらに熱伝導で伝えられてそのフレーム３ｄから外部に放熱される。

さらに、歩行ロボットの上腕部３ａの内部のＤＣ−ＤＣコンバータ基板７の、発熱体としての電源素子も、発熱するとその熱が上腕部３ａの殻状のフレーム３ｄの後部の内面にシリコンシートを介して熱伝導で伝えられて、そのフレーム３ｄの後部の外面のヒートシンク３ｅから外部に放熱される。

従って、この実施例の移動ロボット用放熱構造によれば、歩行ロボットの上腕部３ａが、各々ＣＰＵ５ａ等の発熱体を持つノードコンピュータ基板５やモータドライバ基板６やＤＣ−ＤＣコンバータ基板７等を高密度に搭載していても、それらの発熱体から出た熱を、放熱部材としてのフレーム３ｄやヒートシンク３ｅとは別に設けた熱伝導効率の良い熱伝導体８，９によってそれらフレーム３ｄやヒートシンク３ｅに運んで、外部に面した充分な大きさのそれらフレーム３ｄやヒートシンク３ｅで放熱することができるので、歩行ロボットの上腕部３ａの内部の分散制御系の発熱体を充分に冷却することができる。

しかも、この実施例の移動ロボット用放熱構造によれば、熱伝導体８，９の各々の二枚の伝熱板８ａ，９ａの間に断熱材８ｂ，９ｂを介装していることから、二枚の伝熱板８ａ，９ａに伝わった熱が断熱材８ｂ，９ｂで遮られてそれらの伝熱板８ａ，９ａの間の隙間に熱伝達で漏れないので、伝熱板８ａ，９ａの端部の結合部８ｃ，９ｃに熱伝導で効率良く熱を流し得て、フレーム３ｄやヒートシンク３ｅからの放熱量をより多くすることができるとともに、ＣＰＵ５ａ等の対をなす発熱体間に温度差がある場合でも温度の低い方の発熱体に熱が流れるのを防止することができる。

図５〜図１０は、この発明の移動ロボット用放熱構造の他の実施例をそれぞれ示す断面図であり、これらの図中、符号１０は移動ロボットに内蔵される電子機器基板、１０ａはその電子機器基板１０に搭載された、発熱体としてのＣＰＵ等の素子、１１は上記他の実施例の放熱構造の熱伝導体、１１ａは並置した二枚の伝熱板，１１ｂはそれらの間の断熱材、１１ｃは結合部、１１ｄはヒートシンク、１１ｅは連結部をそれぞれ示し、各対の電子機器基板１０に搭載された素子１０ａは、各熱伝導体１１の二枚の伝熱板１１ａの両外側面にそれぞれ熱伝導可能に密接している。

これら図５〜図１０に示す他の実施例では全て、熱伝導体１１の結合部１１ｃとヒートシンク１１ｄとが一体に結合されており、図５の実施例では、一対二枚の伝熱板１１ａが結合部１１ｃを介してヒートシンク１１ｄに一体に結合され、図６の実施例では、二対四枚の伝熱板１１ａが互いに平行に離間してそれぞれ結合部１１ｃを介してヒートシンク１１ｄに一体に結合され、図７の実施例では、二対四枚の伝熱板１１ａが互いにＶ字状に離間してそれぞれ結合部１１ｃを共通の連結部１１ｅを介してヒートシンク１１ｄに一体に結合され、図８の実施例では、四対八枚の伝熱板１１ａが互いに平行に離間してそれぞれ結合部１１ｃを共通の連結部１１ｅを介してヒートシンク１１ｄに一体に結合され、図９の実施例では、四対八枚の伝熱板１１ａが互いに放射状に離間してそれぞれ結合部１１ｃを中心部の共通の連結部１１ｅを介してヒートシンク１１ｄに一体に結合され、そして図１０の実施例では、六対十二枚の伝熱板１１ａが互いに放射状に離間してそれぞれ結合部１１ｃを中心部の筒状のヒートシンク１１ｄに一体に結合されている。なお、その筒状のヒートシンク１１ｄには、内部に冷却風を送るために電動ファン１２等の通風手段が設けられている。

これら図５〜図１０に示す他の実施例の放熱構造によっても、先の実施例と同様の作用効果をもたらすことができる。しかも、図７〜図９に示す実施例によれば、複数の熱伝導体１１の二枚の伝熱板１１ａの結合部１１ｃを連結部１１ｅを介して互いに一体的に結合し、その連結部１１ｅをヒートシンク１１ｄに一体的に結合していることから、ヒートシンク１１ｄの剛性をその連結部１１ｅを結合した部分付近だけ高めれば良いので、ヒートシンク１１ｄを軽量に構成することができる。

以上、図示例に基づき説明したが、この発明は上述の例に限定されるものでなく、例えば、上記図１〜図４に示す実施例では放熱構造が、人型歩行ロボットの上腕部３ａ内の基板上の発熱体の冷却を行ったが、この発明の放熱構造は、人型歩行ロボットの前腕部３ｃや脚部２や胴体１内の電気装置の冷却を行っても良く、また人型以外の歩行ロボットや、脚以外の車輪等の移動手段を具える移動ロボットに用いても良い。

さらに、前記熱伝導体の数および配置は、所要に応じて、上記図１〜図１０に示す各実施例以外のものに適宜変更しても良い。

かくしてこの発明の移動ロボット用放熱構造によれば、移動ロボットが電気装置等の発熱体を他の構造物と一緒に高密度に搭載していても、発熱体から出た熱を、放熱部材とは別に設けた熱伝導効率の良い熱伝導体によって放熱部材に運んで、適当な場所に配置した充分な大きさの放熱部材で放熱することができるので、移動ロボットの内部の発熱体を充分に冷却することができる。

この発明の移動ロボット用放熱構造の一実施例としての、人型歩行ロボットの電気装置としての腕用制御基板のＣＰＵの冷却用の放熱構造を示す、図３（ｂ）中のＡ−Ａ線に沿う横断面図である。 （ａ），（ｂ）および（ｃ）は、上記実施例の放熱構造を具える人型歩行ロボットを例示する正面図，側面図および背面図である。 （ａ）および（ｂ）は、上記人型歩行ロボットの上腕部を示す正面図および（ａ）中のＢ−Ｂ線に沿う縦断面図である。 （ａ），（ｂ）および（ｃ）は、上記人型歩行ロボットの上腕部内に収容された腕用制御基板と上記実施例の放熱構造との構成を示す分解斜視図、組立斜視図および（ｂ）中のＣ−Ｃ線に沿う断面図である。 この発明の移動ロボット用放熱構造の他の一実施例を示す断面図である。 この発明の移動ロボット用放熱構造のさらに他の一実施例を示す断面図である。 この発明の移動ロボット用放熱構造のさらに他の一実施例を示す断面図である。 この発明の移動ロボット用放熱構造のさらに他の一実施例を示す断面図である。 この発明の移動ロボット用放熱構造のさらに他の一実施例を示す断面図である。 この発明の移動ロボット用放熱構造のさらに他の一実施例を示す断面図である。

符号の説明

１ 胴体
１ａ 上半部
１ｂ 下半部
１ｃ 腰部
２ 脚部
３ 腕部
３ａ 上腕部
３ｂ 肘部
３ｃ 前腕部
３ｄ フレーム
３ｅ ヒートシンク
４ 頭部
５ ノードコンピュータ基板
５ａ ＣＰＵ
６ モータドライバ基板
７ ＤＣ−ＤＣコンバータ基板
８，９，１１ 熱伝導体
８ａ，９ａ，１１ａ 伝熱板
８ｂ，９ｂ，１１ｂ 断熱材
８ｃ，９ｃ，１１ｃ 結合部
８ｄ 支持板
１０ 電子機器基板
１０ａ 素子
１１ｄ ヒートシンク
１１ｅ 連結部
１２ 電動ファン

Claims (5)

1. 移動ロボットの内部の複数の発熱体から出る熱を放熱部材から外部に放熱する移動ロボット用放熱構造において、
   間に隙間を空けて並置した二枚の伝熱板をそれらの端部で一体的に結合して構成した一または複数の熱伝導体を具え、
   前記複数の発熱体を二つずつ一または複数の対にし、
   前記各熱伝導体の前記二枚の伝熱板の互いに対抗する外側面に対し前記対をなす二つの発熱体をそれぞれ熱伝導可能に配置し、
   前記一または複数の熱伝導体の前記二枚の伝熱板の結合部を前記放熱部材に一体的に結合したことを特徴とする、移動ロボット用放熱構造。
2. 前記二枚の伝熱板の間に断熱材を介装したことを特徴とする、請求項１記載の移動ロボット用放熱構造。
3. 複数の前記熱伝導体の前記二枚の伝熱板の結合部を連結部を介して互いに一体的に結合し、
   前記連結部を前記放熱部材に一体的に結合したことを特徴とする、請求項１または２記載の移動ロボット用放熱構造。
4. 前記移動ロボットは、歩行ロボットであることを特徴とする、請求項１から３までの何れか記載の移動ロボット用放熱構造。
5. 前記発熱体は前記移動ロボットの腕または脚の内部に位置し、
   前記放熱部材は前記腕または脚の外部に面していることを特徴とする、請求項１から４までの何れか記載の移動ロボット用放熱構造。
   
   

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