JP2020198393A

JP2020198393A - 電気機器及びその部品

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Publication number: JP2020198393A
Application number: JP2019104811A
Authority: JP
Inventors: 信宏金谷; Nobuhiro Kanaya; 拓也仁平; Takuya Nihei
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2019-06-04
Filing date: 2019-06-04
Publication date: 2020-12-10
Also published as: US20200389992A1; EP3749071A1; US11343932B2

Abstract

【課題】筐体と回路基板との短絡の発生を効率的に抑制することができる電気機器及びその部品を提供する。【解決手段】電気機器１は、設置部に取付られる金属製の主部筐体２と主部筐体２に取付られる副部筐体３とからなる筐体４と、筐体４内に収容される回路基板５とを有し、主部筐体２が、回路基板５と間隔Ｄを空けて回路基板５に沿って延在する主壁１２と、回路基板５が取付られる基板取付部１３とを有し、主壁１２の内面に絶縁性を有する板状の絶縁板６が固定される。【選択図】図１

Description

本開示は、電気機器及びその部品に関する。

電気機器として、爆発性雰囲気等での安全な使用を可能にするために短絡の発生を抑制する構造を有するものが知られている。例えば、特許文献１には、筐体と筐体内に収容される回路基板同士を接続するケーブルとの短絡の発生を抑制する構造が記載されている。

特開２０１６−１５７７５７号公報

電気機器においては、筐体と電子部品を含む回路基板との短絡の発生を抑制することが求められる。しかし、回路基板とその周囲に位置する筐体の金属製部分との空間距離のみによって短絡の発生を抑制しようとすると、例えば、電気機器の小型化、或いは、回路基板を構成するために採用し得る電子部品のサイズ上の制約に対応するのが難しいなどの問題があった。

本開示の目的は、筐体と回路基板との短絡の発生を効率的に抑制することができる電気機器及びその部品を提供することにある。

幾つかの実施形態に係る電気機器は、設置部に取付られる金属製の主部筐体と主部筐体に取付られる副部筐体とからなる筐体と、筐体内に収容される回路基板とを有し、主部筐体が、回路基板と間隔を空けて回路基板に沿って延在する主壁と、回路基板が取付られる基板取付部とを有し、主壁の内面に絶縁性を有する板状の絶縁板が固定される。このような構成によれば、回路基板と金属製の主部筐体の主壁との間を絶縁板によって効率的に絶縁することができるため、絶縁に必要な回路基板と主壁との距離を低減することができ、もって、電気機器の小型化、或いは、回路基板を構成するために採用し得る電子部品のサイズ上の制約への対応を可能にすることができる。また、主部筐体が金属製であることにより、設置部への電気機器の安定した設置を可能にすることができる。

一実施形態において、電気機器は、上記構成において、回路基板における主壁と反対側に位置する面を覆うとともに絶縁性を有する絶縁カバーを有してもよい。このような構成によれば、回路基板における主壁と反対側に位置する面と、その面の周囲に位置する導電体等との短絡の発生を絶縁カバーによって効率的に抑制することができる。

一実施形態において、電気機器は、上記構成において、回路基板と絶縁カバーとが基板取付部に締結具で共締めされてもよい。このような構成によれば、絶縁カバーの取付のための効率的な構造及び組立を可能にすることができる。

一実施形態において、電気機器は、上記構成において、主部筐体が主壁の内面から突出する突出部を有し、基板取付部が突出部に設けられてもよい。このような構成によれば、回路基板の取付のための効率的な構造及び組立を可能にすることができる。

一実施形態において、電気機器は、上記構成において、基板取付部が主壁の内面に設けられ、回路基板が、主壁の内面に設けられた基板取付部にスタッドを介して取付られ、絶縁板がスタッドにより主壁の内面に締付られて固定されてもよい。このような構成によれば、絶縁板の取付のための効率的な構造及び組立を可能にすることができる。

一実施形態において、電気機器は、上記構成において、副部筐体が絶縁性を有し、副部筐体内に無線通信モジュールが収容されてもよい。このような構成によれば、副部筐体が絶縁性を有することにより、回路基板と筐体との短絡の発生を抑制することができるとともに、無線通信モジュールによる安定した無線通信を可能にすることができる。

一実施形態において、電気機器は、上記構成において、絶縁板が、本質安全防爆構造規格の固体絶縁物の要件に適合する耐電圧特性と、本質安全防爆構造規格の固体絶縁物離隔距離（separation distance through solid insulation）の要件に適合する厚さとを有してもよい。このような構成によれば、本質安全防爆構造規格に有利に適合することができる。

一実施形態において、電気機器は、上記構成において、絶縁板が、主部筐体との例えばスナップ嵌合又は押圧嵌合等の嵌合により、主壁の内面に固定されてもよい。このような構成によれば、絶縁板の取付のための効率的な構造及び組立を可能にすることができる。

一実施形態において、電気機器は、上記構成において、絶縁板が主壁の内面に締結具により締付られて固定されてもよい。このような構成によれば、絶縁板の取付のための効率的な構造及び組立を可能にすることができる。

一実施形態において、電気機器は、上記構成において、絶縁板を主壁の内面に固定する締結具が絶縁性を有してもよい。このような構成によれば、絶縁に必要な回路基板と主壁との距離を低減することができる。

一実施形態において、電気機器は、上記構成において、絶縁板が主壁の内面に例えば両面テープ又は接着剤等の接着材を介して固着されてもよい。このような構成によれば、絶縁板の取付のための効率的な構造及び組立を可能にすることができる。また、接着材により、絶縁板を主壁の内面に確実に固定することができる。

一実施形態において、電気機器は、上記構成において、絶縁板が上記接着材等を介することなく主壁の内面に接した状態で、絶縁板が主壁の内面に固定されてもよい。このような構成によれば、絶縁に必要な回路基板と主壁との距離を低減することができる。

幾つかの実施形態に係る電気機器用部品は、設置部に取付られる金属製の主部筐体と回路基板とを有し、前記主部筐体が、前記回路基板と間隔を空けて前記回路基板に沿って延在する主壁と、前記回路基板が取付られる基板取付部とを有し、前記主壁の内面に絶縁性を有する板状の絶縁板が固定される。このような構成によれば、回路基板と金属製の主部筐体の主壁との間を絶縁板によって効率的に絶縁することができるため、絶縁に必要な回路基板と主壁との距離を低減することができ、もって、電気機器の小型化、或いは、回路基板を構成するために採用し得る電子部品のサイズ上の制約への対応を可能にすることができる。また、主部筐体が金属製であることにより、設置部への電気機器の安定した設置を可能にすることができる。

本開示によれば、筐体と回路基板との短絡の発生を効率的に抑制することができる電気機器及びその部品を提供することができる。

第１実施形態に係る電気機器を示す断面図である。第２実施形態に係る電気機器を示す断面図である。第３実施形態に係る電気機器を示す断面図である。

以下、図面を参照して、本開示に係る実施形態について詳細に例示説明する。

まず、図１を参照して、第１実施形態に係る電気機器１について詳細に例示説明する。図１に示すように、本実施形態に係る電気機器１は、主部筐体２と副部筐体３とからなる筐体４と、回路基板５と、絶縁板６と、絶縁カバー７と、無線通信モジュール８と、電源９とを有する。電気機器１は、主部筐体２と主部筐体２に収容される部品（回路基板５、絶縁板６、絶縁カバー７等）とからなる主部筐体側部品１ａ（電気機器用部品）と、副部筐体３と副部筐体３に収容される部品（無線通信モジュール８、電源９等）とからなる副部筐体側部品１ｂとで構成される。

電気機器１は、フィールド機器としての、例えば温度計、圧力計、流量計、振動計等の測定機器である。しかし、電気機器１は、フィールド機器としての測定機器に限らず、測定機器以外のフィールド機器であってもよく、フィールド機器以外の電気機器であってもよい。フィールド機器は、プラントにおいて用いられる機器である。測定機器以外のフィールド機器としては、例えば、流量制御弁や開閉弁等のバルブ機器、ファンやモータ等のアクチュエータ機器、プラント内の状況や対象物を撮影するカメラやビデオ等の撮像機器、プラント内の異音等を収集したり警報音等を発したりするマイクやスピーカ等の音響機器、各機器の位置情報を出力する位置検出機器等が挙げられる。プラントとしては、例えば、化学等の工業プラント、ガス田や油田等の井戸元やその周辺を管理制御するプラント、水力・火力・原子力等の発電を管理制御するプラント、太陽光や風力等の環境発電を管理制御するプラント、上下水やダム等を管理制御するプラント等が挙げられる。

主部筐体２は、プラントにおける所望の設置部（図示省略）に、ねじ等の締結具、ベルト又はマグネット等によって取付られる。主部筐体２は、設置部にブラケット等の仲介部材を介して、又は仲介部材を介することなく直接、取付けることができる。主部筐体２は、設置部への安定した設置を可能とする金属製である。つまり、主部筐体２は、金属製であることから、良好な取付強度、耐振動性及び耐熱性を有する。また、主部筐体２は、金属製であることから伝導性を有する。このため、主部筐体２と回路基板５との短絡の発生を抑制する構造が必要である。

回路基板５は、主部筐体２内に収容される。また、回路基板５は、中心軸線Ｏを中心とする円板状の基板本体１０と、基板本体１０に実装される電子部品１１とを有する。電子部品１１は、基板本体１０の上面に実装される挿入型部品１１ａと、基板本体１０の上面に実装される表面実装型部品１１ｂと、基板本体１０の下面に実装される挿入型部品１１ａと、基板本体１０の下面に実装される表面実装型部品１１ｂとを含む。しかし、電子部品１１は、基板本体１０の上面及び下面の何れかのみに実装されてもよい。また、電子部品１１は、挿入型部品１１ａ及び表面実装型部品１１ｂの何れかのみを含んでもよい。基板本体１０は円板状に限られず、例えば三角形、四角形、多角形等、任意の形状の板状であってよい。

主部筐体２は、回路基板５の基板本体１０と間隔Ｄを空けて基板本体１０に沿って延在する主壁１２と、基板本体１０が取付られる基板取付部１３とを有する。主壁１２は基板本体１０と平行に延在しているが、これに限られず、基板本体１０に沿って延在していれば、基板本体１０に対して多少傾斜していてもよい。主部筐体２は、主壁１２の内面（つまり、上面）から突出する突出部１４を有し、基板取付部１３は突出部１４の上面に設けられる。中心軸線Ｏを中心とする円板状の主壁１２の外周縁には、円筒状の周壁１５の下端が一体に連結する。突出部１４は、周方向に間隔を空けて並べて設けられるとともに、それぞれが周壁１５の内周面と主壁１２の内面との両方から突出する複数の凸部１４ａからなる。しかし、突出部１４は、複数の凸部１４ａからなるものに限られず、例えば、全周に亘って延在する円環状の凸部からなってもよい。また、基板取付部１３は突出部１４に設けられるものに限られない。例えば、後述する第２実施形態の場合のように、基板取付部１３が主壁１２の内面に設けられ、回路基板５が、主壁１２の内面に設けられた基板取付部１３にスタッド２１を介して取付られてもよい。

中心軸線Ｏは、回路基板５（基板本体１０）と筐体４（主壁１２）との共通の中心軸線である。しかし、回路基板５と筐体４との中心軸線が互いにずれていてもよい。また、主壁１２は円板状に限られず、例えば三角形、四角形、多角形等、任意の形状の板状であってよい。周壁１５は円筒状に限られず、その形状は主壁１２の形状に合わせて適宜変更可能である。主壁１２と基板本体１０との形状は互いに同等であるが、これに限られず、互いに異なってもよい。

本明細書において、周方向とは中心軸線Ｏを周回する方向を意味し、径方向とは中心軸線Ｏと直交する方向を意味し、上下方向とは中心軸線Ｏに沿う方向を意味し、上方とは主壁１２から回路基板５に向かう方向を意味し、下方とはその反対方向を意味する。

主壁１２の内面には、絶縁性を有する板状の絶縁板６が固定される。絶縁板６は、全面に亘って厚さが一定であるが、これに限られず、板状であれば厚さが多少変化するものであってもよい。絶縁板６は、複数の凸部１４ａに対応する位置が切欠かれた円板状である。しかし、絶縁板６の形状は、これに限られず、主壁１２及び突出部１４の形状に合わせて適宜変更可能である。また、絶縁板６は、主壁１２の実質的に全面を覆う形状及びサイズを有することが好ましいが、主壁１２の一部のみを覆う形状であってもよい。絶縁板６は、例えばポリカーボネート樹脂等の合成樹脂製であってよい。絶縁板６は、電気機器１を本質安全防爆構造規格に適合させるために、本質安全防爆構造規格の固体絶縁物の要件に適合する耐電圧特性と、本質安全防爆構造規格の固体絶縁物離隔距離の要件に適合する厚さとを有する。本質安全防爆構造規格の固体絶縁物の要件に適合する耐電圧特性とは、回路基板５と主壁１２との間に発生する電圧に対する耐性を意味する。また、本質安全防爆構造規格の固体絶縁物離隔距離の要件に適合する厚さとは、当該要件の離隔距離に等しい又はそれ以上の厚さを意味する。絶縁板６は、このような耐電圧特性及び厚さを有するものに限られない。例えば、絶縁板６は、電気機器１を本質安全防爆構造規格以外の防爆構造規格（例えば、タイプｎ防爆、ＮＩ(Non-Incendive)防爆）又は防爆構造規格以外の規格（例えば、一般安全規格等）に適合させるための耐電圧特性及び厚さを有してもよい。

絶縁板６は、主壁１２の内面に例えば両面テープ又は接着剤等の接着材１６を介して固着される。しかし、絶縁板６は、このような接着材１６による固定に代えて又は加えて、主部筐体２との例えばスナップ嵌合（例えば、周壁１５の内周面に周方向に間隔を空けて並べて設けられた複数の爪を介したスナップ嵌合等）又は押圧嵌合等の嵌合により主壁１２の内面に固定されてもよい。また、絶縁板６は、このような固定に代えて又は加えて、主壁１２の内面に例えば有頭ねじ等の締結具により締付られて固定されてもよい。絶縁板６を主壁１２の内面に固定する締結具は、絶縁性を有することが好ましい。また、絶縁板６は、絶縁板６が接着材１６等を介することなく主壁１２の内面に接した状態で、例えば上記の嵌合又は締結具等により主壁１２の内面に固定されてもよい。

絶縁カバー７は、回路基板５における主壁１２と反対側に位置する面（つまり、上面）を覆うとともに絶縁性を有する。絶縁カバー７は、例えばポリカーボネート樹脂等の合成樹脂製であってよい。絶縁カバー７は、中心軸線Ｏと同心に配置されるとともに基板本体１０の上面に実装された電子部品１１を覆う有頂円筒状のカバー本体７ａと、カバー本体７ａの下縁から径方向外側に延在する円環板状のフランジ７ｂとを有する。回路基板５の外周縁と絶縁カバー７のフランジ７ｂとは、基板取付部１３に有頭ねじからなる締結具１７で共締めされる。つまり、各凸部１４ａの上面にはねじ穴が設けられ、回路基板５の外周縁と絶縁カバー７のフランジ７ｂとにはそれぞれ、各ねじ穴に対応する位置に締結具１７を貫通させる貫通孔が設けられる。しかし、絶縁カバー７は、回路基板５と共締めされない構成であってもよい。また、絶縁カバー７の形状及び配置は適宜変更が可能である。絶縁カバー７を設けない構成であってもよい。

副部筐体３は、中心軸線Ｏと同心に配置される筒状の筒壁１８と、筒壁１８の上端に一体に連結する上壁１９とを有する。筒壁１８は円筒状であるが、切頭円錐状であってもよいし、その他の筒状であってもよい。筒壁１８は、主部筐体２の周壁１５に適宜の手段によって取外し可能に取付られる。筒壁１８は、周壁１５の上面に沿って配置される構成であるが、これに代えて又は加えて、周壁１５の外周面に沿って配置される構成であってもよい。また、筒壁１８は、これに代えて又は加えて、周壁１５の内周面に沿って配置される構成であってもよい。副部筐体３は、主部筐体２の周壁１５に副部筐体３の筒壁１８を取付ることにより筐体４の内部空間が密封されるように構成される。しかし、副部筐体３はこのような構成に限られない。

副部筐体３は、絶縁性を有する合成樹脂製である。また、副部筐体３内には、無線通信モジュール８及び電源９が収容される。無線通信モジュール８及び電源９は、取付板２０を介して筒壁１８の内周面に取付られる。無線通信モジュール８は、回路基板からなっているが、その構成は適宜変更可能である。無線通信モジュール８、電源９及び回路基板５は、互いに電気接続される。電源９と無線通信モジュール８とは図示しない接続方法によって互いに電気接続され、無線通信モジュール８と回路基板５とは、取付板２０及び絶縁カバー７を貫通するコネクタ２１によって互いに電気接続される。コネクタ２１は、無線通信モジュール８に実装される電子部品２２と、回路基板５の上面に実装される挿入型部品１１ａとしての電子部品１１で構成される。しかし、無線通信モジュール８、電源９及び回路基板５を互いに電気接続するための構造は、これに限られず、適宜変更可能である。電源９は無線通信モジュール８及び回路基板５に電力を供給する。回路基板５は例えば温度、圧力、流量、振動等を測定する。無線通信モジュール８はその測定結果を外部機器に無線送信する。副部筐体３は、電波を妨害する導電性を有さないことにより、無線通信モジュール８の安定した無線通信を可能にすることができる。

電気機器１は、無線通信モジュール８により外部機器と無線通信する構成に限られず、例えば、筐体４の外部に設けられた外付けアンテナにより無線通信するように構成されてもよいし、無線通信モジュール８に代えて設けられた有線通信モジュールにより外部機器と有線通信するように構成されてもよい。したがって、副部筐体３は、電波を妨害する導電性を有さない材料で構成されるものに限られない。また、副部筐体３は、合成樹脂製に限られず、例えば金属製であってもよい。

電気機器１は、回路基板５と金属製の主部筐体２の主壁１２との間を絶縁板６によって効率的に絶縁することができるため、絶縁に必要な基板本体１０と主壁１２の上面との間隔Ｄを低減することができ、もって、電気機器１の小型化、或いは、回路基板５を構成するために採用し得る電子部品１１のサイズ上の制約への対応を可能にすることができる。また、絶縁板６は本質安全防爆構造規格の固体絶縁物の要件に適合する耐電圧特性と、本質安全防爆構造規格の固体絶縁物離隔距離の要件に適合する厚さとを有するので、電気機器１を本質安全防爆構造規格に適合させるために必要な間隔Ｄを低減することができる。例えば、主部筐体２と回路基板５との間に発生する電圧（波高値）が１０Ｖ以下である場合、絶縁板６を設けない構成では、電子部品１１の下端（つまり、基板本体１０の上面に実装される挿入型部品１１ａのピン下端と、基板本体１０の下面に実装される挿入型部品１１ａの下端面と、基板本体１０の下面に実装される表面実装型部品１１ｂの下端面とのうち、最も下方に位置する部分）と主壁１２の上面との離隔距離は１．５ｍｍ以上必要であるのに対し、絶縁板６を設ける構成では、絶縁板６の厚さは０．５ｍｍでよく、電子部品１１の下端と絶縁板６の上面との離隔距離を設ける必要はないので、本質安全防爆構造規格に適合するのに必要な間隔Ｄを最大で１．０ｍｍ（接着材１６を設けない場合）低減することができる。

次に、図２を参照して、第２実施形態に係る電気機器１について詳細に例示説明する。図２において、第１実施形態で示した要素に対応する要素には同一の符号を付している。
図２に示すように、本実施形態に係る電気機器１は、基板取付部１３が主壁１２の内面に設けられ、回路基板５の基板本体１０が、主壁１２の内面に設けられた基板取付部１３にスタッド２３を介して取付られ、絶縁板６がスタッド２３により主壁１２の内面に締付られて固定される。スタッド２３は、第１実施形態で示した各凸部１４ａに対応する位置に取付られる。本実施形態では、絶縁カバー７と基板本体１０とは、締結具１７によりスタッド２３に共締めされる。その他の構成は、第１実施形態の場合と同様である。

次に、図３を参照して、第３実施形態に係る電気機器１について詳細に例示説明する。図３において、第１実施形態で示した要素に対応する要素には同一の符号を付している。
図３に示すように、本実施形態に係る電気機器１は、無線通信モジュール８もコネクタ２１も有さない。また、副部筐体３は金属製である。電気機器１は、筐体４内に電源を有してもよいし、外部電源に接続する構成であってもよい。副部筐体３の上壁１９の内面（つまり、下面）には、絶縁カバー７が固定される。絶縁カバー７は、回路基板５における主壁１２と反対側に位置する面（つまり、上面）を覆うとともに絶縁性を有する。絶縁カバー７は、例えばポリカーボネート樹脂等の合成樹脂製であってよい。絶縁カバー７は、中心軸線Ｏと同心に配置されるとともに基板本体１０の上面に実装された電子部品１１を覆う円板状である。絶縁カバー７は、上壁１９の内面に例えば両面テープ又は接着剤等の接着材２４を介して固着される。絶縁カバー７は、接着材２４に代えて又は加えて、嵌合、締結具等で上壁１９の内面に固定されてもよい。電気機器１は、主部筐体２と主部筐体２に収容される部品（回路基板５、絶縁板６等）とからなる主部筐体側部品１ａ（電気機器用部品）と、副部筐体３と副部筐体３に収容される部品（絶縁カバー７等）とからなる副部筐体側部品１ｂとで構成される。その他の構成は、第１実施形態の場合と同様である。

前述した実施形態は、本開示の一例にすぎず、種々変更可能であることはいうまでもない。

１電気機器
１ａ主部筐体側部品（電気機器用部品）
１ｂ副部筐体側部品
２主部筐体
３副部筐体
４筐体
５回路基板
６絶縁板
７絶縁カバー
８無線通信モジュール
９電源
１０基板本体
１１電子部品
１１ａ挿入型部品
１１ｂ表面実装型部品
１２主壁
１３基板取付部
１４突出部
１４ａ凸部
１５周壁
１６接着材
１７締結具
１８筒壁
１９上壁
２０取付板
２１コネクタ
２２電子部品
２３スタッド
２４接着材
Ｏ中心軸線
Ｄ間隔

Claims

設置部に取付られる金属製の主部筐体と前記主部筐体に取付られる副部筐体とからなる筐体と、前記筐体内に収容される回路基板とを有し、
前記主部筐体が、前記回路基板と間隔を空けて前記回路基板に沿って延在する主壁と、前記回路基板が取付られる基板取付部とを有し、
前記主壁の内面に絶縁性を有する板状の絶縁板が固定される、電気機器。
前記回路基板における前記主壁と反対側に位置する面を覆うとともに絶縁性を有する絶縁カバーを有する、請求項１に記載の電気機器。
前記回路基板と前記絶縁カバーとが前記基板取付部に締結具で共締めされる、請求項２に記載の電気機器。
前記主部筐体が前記主壁の前記内面から突出する突出部を有し、
前記基板取付部が前記突出部に設けられる、請求項１〜３の何れか１項に記載の電気機器。
前記基板取付部が前記主壁の前記内面に設けられ、
前記回路基板が、前記主壁の前記内面に設けられた前記基板取付部にスタッドを介して取付られ、
前記絶縁板が前記スタッドにより前記主壁の前記内面に締付られて固定される、請求項１〜３の何れか１項に記載の電気機器。
前記副部筐体が絶縁性を有し、前記副部筐体内に無線通信モジュールが収容される、請求項１〜５の何れか１項に記載の電気機器。
前記絶縁板が、本質安全防爆構造規格の固体絶縁物の要件に適合する耐電圧特性と、前記本質安全防爆構造規格の固体絶縁物離隔距離の要件に適合する厚さとを有する、請求項１〜６の何れか１項に記載の電気機器。
設置部に取付られる金属製の主部筐体と回路基板とを有し、
前記主部筐体が、前記回路基板と間隔を空けて前記回路基板に沿って延在する主壁と、前記回路基板が取付られる基板取付部とを有し、
前記主壁の内面に絶縁性を有する板状の絶縁板が固定される、電気機器用部品。