JP5913575B2 - 発火検知手段を備えたリニアアクチュエータシステム - Google Patents

Description

本発明は、請求項１のプリアンブルに記載されたリニアアクチュエータシステムに関する。

電気機械式リニアアクチュエータシステムは、病院や介護施設で広く使用されており、主として調節式のベッドや椅子に連結させて、背もたれ部分や足置き部分の調節に用いられている。また、この分野において、リニアアクチュエータシステムは、ブラケットアームを有するクレーンタイプの患者用リフトにも使用されている。当該リフトは、患者を椅子やベッドにのせたり、椅子やベッドから降ろしたりするためのものである。また、リニアアクチュエータシステムは、太陽光プラントの電気供給網など、上記以外の分野でも使用されている。

スラストロッドを有するタイプのリニアアクチュエータが一般的に使用されており、例えばLinak A/Sの国際公開第０２／２９２８４号に開示されているようなものが使用されている。このタイプのリニアアクチュエータは、スピンドルナットを備えたスピンドルを含んで構成されている。スピンドルは、伝動装置を介して、可逆電動モータによって駆動される。スピンドルが駆動されると、電動機の回転方向に応じて、スピンドルナットが内方又は外方に移動する。このリニアアクチュエータは、独立した機材であり、上記のスピンドル、伝動装置、及び電動機がハウジングに収容されたものである。当該ハウジングは、典型的には、電動機ハウジング及び外管によって構成されている。スピンドルナットには内管が固定されている。スピンドルナットがスピンドルに対して内方又は外方に移動するのに応じて、内管が外管に対して内方又は外方に変位する。スピンドルナットとは反対側の内管の端部には、前方取付部が設けられている。電動機の外側には後方取付部が設けられている。これらの前方取付部及び後方取付部を用いて、リニアアクチュエータは、調節対象である構造に取り付けられる。

これらの使用において共通する問題点は、アクチュエータシステムの一又は複数の部品において、発火の危険があることである。発火は、特に電気回路や電子部品の誤動作や欠陥が原因で起こり得ることが知られている。例えば、発火の原因として、電子部品の欠陥や、製造時におけるプリント回路基板の導電性回路の設計の不具合が考えられる。この場合、欠陥または不具合のある部分に対する電気の供給が継続されることによって、当該電子部品及び／又はプリント回路基板の導電性回路において、熱が発生する。この熱及び電気供給の継続によって、潜在的な発火の危険性が発生する。欠陥または不具合のある部分ですぐに発火するわけではないが、時間が経過するにつれて、発火の危険性が増す。すぐに発火しないのは、例えば、欠陥の程度が大きくないため、あるいは単に電気回路が常に導通されるのではなく一度に短時間だけ導通されるためである。構造面に関して、プリント回路基板及びプリント回路基板を囲むハウジング部材の両方を、難燃性材料を用いて形成することによって、このような発火の危険性に対処するのが一般的となっている。しかし、このような難燃性材料は発火が起こってから効果を発揮するものであるため、煙やすすが発生することがよくある。また、難燃性材料は、当該材料が用いられている部材自体での発火しか防止しない場合がよくある。従って、難燃性材料が火災の伝播を止めることができるかどうかは不明である。

上記以外の用途においては、熱や煙の発生を検知する煙感知器の使用が知られている。このような煙感知器によって、発火が起こりつつある又は既に発火が起こったことを把握することができる。煙感知器は、様々な原理に基づいて構成されており、例えば、光学的原理によるもの、イオン化によるもの、空気サンプリングによるものなどがある。これらの異なるタイプの感知を行うものを、リニアアクチュエータシステムの１つ又は複数の部品にまとめて組み込むことは原理上は可能であるが、リニアアクチュエータが相当に大きくなり、好ましくない。また、これらのタイプの感知は、非常にコスト高となり、現状では魅力的でない。

International Business Machines Corporationの米国特許第７１０９７２２号には、電気回路を有するプリント回路基板での発煙及び発火を検知防止するための装置及び方法が記載されている。この装置においては、プリント回路基板が検知面を有し、この検知面には、少なくとも２つの離間した配線パターンまたは櫛形アレイによって構成された検知要素が設けられている。通常、一方の配線パターンに正電圧を印加し、他方の配線パターンを接地し、この間の漏れ電流を測定する。しかし、櫛形アレイは設計に時間がかかり、プリント回路基板の設計及び製造がコスト高となる。また、プリント回路基板内で、櫛形アレイと電気回路との間に望ましくない導通が起こる危険性が高い。

国際公開第０２／２９２８４号 米国特許第７１０９７２２号 国際公開第２００７／０９３１８１号

本発明は、早い段階において、発火を検知する、又は、発火の可能性があるあるいは発火が既に起こっているという情報を提供することが可能であり、これによって発火防止処置又は発火対応処置を開始することができるリニアアクチュエータシステムを実現するものである。

従って、本発明の目的は、安全且つシンプルで安価な方法によってリニアアクチュエータにおける発火検知及び発火対応に関する問題を解決することができるリニアアクチュエータシステムを提供することである。

本発明によれば、上記目的は、以下の構成のリニアアクチュエータシステムによって達成される。すなわち、当該リニアアクチュエータシステムは、少なくとも１つのプリント回路基板を含み、当該プリント回路基板は、少なくとも１つの導電性回路を含む多層を有する。プリント回路基板の上記多層の少なくとも１つの層は、漏れ電流を検出するための導電性検出層であり、導電性回路の動作電圧範囲外の電圧が当該検出層に印加される。導電性回路の動作電圧範囲外の電圧を印加することによって、どんなに小さい漏れ電流でも検出することができる。これは、漏れ電流が、検出層に印加される電流とは常に異なるからである。漏れ電流が検出された場合は、何らかの対策をとることにより、この漏れ電流が原因でリニアアクチュエータシステムで発火などが起こるのを防ぐようにしてもよい。このようにして、発火の早期検出に関する上述の問題を解決することができる。漏れ電流が検出された時に取る対策としては、例えば、プリント回路基板に対する電源電圧の供給を遮断する、又は、使用者あるいは関係スタッフ対して音声あるいは視覚による信号を発する、などがある。この方法の副次的な効果として、リニアアクチュエータが故障する危険性があるかどうかを、漏れ電流から把握することができる。従って、望ましくない事態が起こる前に、これを予測することができる。望ましくない事態の例としては、リニアアクチュエータが所望の機能を実行できない、又は、リニアアクチュエータの動きが中断するなどがある。このような事態が起こると、患者に危険が及ぶ可能性がある。このような事態に対処するため、検出した漏れ電流についての情報を、リニアアクチュエータシステムの操作装置に送信する、又は、リニアアクチュエータシステムに接続されたサービスモニターに表示させることができる。また、漏れ電流情報をサービスセンターに送信し、この情報に基づいてサービスセンターから技術者を派遣し、リニアアクチュエータシステムを点検させることもできる。

一実施形態においては、検出層は、連続する導電層によって形成されている。また、別の実施形態においては、検出層が設けられている領域は、プリント回路基板が設けられている領域とほぼ一致する。このような構成によって、プリント回路基板のどこで漏れ電流が発生しても、これを検出することができる。

一実施形態においては、リニアアクチュエータシステムの検出層は、漏れ電流を検出する検出器に接続されている。当該検出器は、検出層が設けられたプリント回路基板に設けることができる。あるいは、当該検出器は、検出層が設けられたプリント回路基板とは離間していてもよい。

リニアアクチュエータシステムの一実施形態においては、検出器は、静的漏れ電流を検出することができるトランジスタである。

リニアアクチュエータシステムの別の実施形態においては、検出器は、動的漏れ電流を検出するためのコンデンサの一部である。

本発明はさらに、請求項１１のプリアンブルに記載された、リニアアクチュエータシステムにおける発火検知方法に関する。当該リニアアクチュエータシステムは、少なくとも１つのプリント回路基板を含み、当該プリント回路基板は少なくとも１つの導電性回路を含む多層を有する。プリント回路基板の上記多層の少なくとも１つの層は、漏れ電流を検出するための検出層である。当該方法においては、前記導電性回路の動作電圧範囲外の電圧を検出層に印加する。

本発明によるリニアアクチュエータシステムの実施形態を、添付図面を参照して以下に詳しく説明する。

アクチュエータシステム及びその部品を示す図である。 プリント回路基板の一部及びその断面を示す図である。 プリント回路基板の一部及びその断面を示す図である。 ４つの層を有する任意のプリント回路基板の一部の断面図である。 リニアアクチュエータシステムにおける４つの層を有するプリント回路基板の各層を上から見た場合の概略図であり、実装部品の輪郭を示している。 リニアアクチュエータシステムにおける４つの層を有するプリント回路基板の各層を上から見た場合の概略図である。 リニアアクチュエータシステムにおける４つの層を有するプリント回路基板の各層を上から見た場合の概略図である。 リニアアクチュエータシステムにおける４つの層を有するプリント回路基板の各層を上から見た場合の概略図である。 リニアアクチュエータシステムにおける４つの層を有するプリント回路基板の各層を上から見た場合の概略図である。 図５〜９に示したプリント回路基板に対する検出器の接続方法を示す。 図５〜９に示したプリント回路基板に対する検出器の接続方法を示す。 検出器の一実施形態を示す図である。 プリント回路基板の電気回路の動作電圧範囲を示すグラフである。

図１は、リニアアクチュエータシステム１を示している。当該リニアアクチュエータシステムは、リニアアクチュエータ２、コントロールボックス３、電源４、及びハンドコントローラー５を含んで構成されている。当該リニアアクチュエータシステムは、さらに、制御装置（図示せず）を備えている。制御装置は、通常はコントロールボックス３に設けられるが、ハンドコントローラー５又はリニアアクチュエータ２に設けてもよい。

図２は、プリント回路基板６を上から見た状態の概略図である。図３は、図２のＡ−Ａ断面図である。プリント回路基板（printplade）はプリントコート（printkort）としても知られている。図示のプリント回路基板６は、電気絶縁性材料７によって形成された基板からなり、当該基板の表面に、銅などの導電箔によって形成された配線パターン８が設けられている。この配線パターン８が印刷回路を構成している。電気絶縁性材料又は非導電性材料からなる上記基板は、具体的には、例えば、ポリマー、ガラスエポキシ積層材料、又はセラミックによって形成することができる。印刷回路は、当該基板の片面又は両面に実装された多数の電子部品同士を接続する電気接続部として機能し、これにより所望の電気回路を構成している。すべての電子部品は、まず、プリント回路基板に設けられたスルーホール９に実装され、その後、当該スルーホール９が設けられた導電性のはんだ付けポイント１０にはんだ付けされる。はんだ付けポイント１０は、印刷回路に直接接続されている。最近では、ほとんどの部品がプリント回路基板の表面に実装される。このように表面に実装される部品は、表面実装部品、略してＳＭＤとしても知られており、表面に実装するための技術は表面実装技術、略してＳＭＴとして知られている。ＳＭＤは、プリント回路基板の銅被覆面又は銅以外の導電性材料で形成された面に直接はんだ付けされる。

ＳＭＤの普及に伴い、最近では多層からなるプリント回路基板の使用が一般的になっている。このような多層のプリント回路基板は、一般的に、絶縁層と導電性回路とが交互に積層されたサンドイッチ状の構造に製造される。異なる層の回路同士は、ビアとして知られる導電性通路によって接続することができる。従って、絶縁層は、ビアの形成されている領域までは設けられてない。これに代えて、ビアを有する絶縁中間層を用いて所望の接続を実現してもよい。図３は、任意のプリント回路基板１１の一部の断面図である。このプリント回路基板は、４つの層を有し、さらに、図示の断面にビア１２を有している。プリント回路基板１１は、上下面のそれぞれに実装領域１３、１４を有し、この実装領域にＳＭＤをはんだ付けすることができる。当該実装領域は、はんだ非親和性材料１５、１６によって囲まれており、これによって、実装領域１３、１４にはんだ材料が付着しないようにされている。２つの実装領域１３と１４とは、導電箔１７を介して互いに接続されている。当該導電箔は、ビア１２を介して、４つの層１８、１９、２０、２１を互いに接続している。４つの層１８、１９、２０、２１のビア１２を介しての導電接続は、水平方向に延びる全領域にわたって４つの層１８、１９、２０、２１を電気的に接続するものではない。すなわち、層１９及び層２０は、それぞれ、非導電性材料によって形成された被覆層２２、２３を含む。プリント回路基板の４つの層１８、１９、２０、２１は、電気絶縁層２４、２５、２６によって互いに隔てられている。ただし、プリント回路基板の層１８、１９、２０、２１のうち、２つ又はそれ以上の層の間に延びる１つ又は複数のビア１２が、上記絶縁層を貫通していてもよい。

図６〜９は、図１に示したタイプのリニアアクチュエータシステムにおける、４つの層を有するプリント回路基板２７の各層を上から見た場合の概略図である。図５は、プリント回路基板２７に実装される部品２８の輪郭を示す概略図である。これらの部品は、プリント回路基板の最上層２９（図６）に、実装領域３０などの各実装領域にはんだ付けすることによって実装される。また、実装領域３０はビアの始端を構成している。当該ビアは、層３１、３２における領域３３、３４を通り、最下層３５の領域３６を終端としている。層２９、３２、３５は、電気回路３７を構成している。当該電気回路は、図５に概略を示した、プリント回路基板２７の電子部品を含む。層３１は、電気回路３７から絶縁された検知層３８を構成している。なお、上述のビア（領域３０、３３、３４、３６によって構成されている）の一部である領域３３と検知層３８とは直接接続されていない。従って、検知層３８に対して接続されているのは、入力接続部３９だけである。この入力接続部３９は、層２９、３２、３５の各領域４０、４１、４２に接続されたビアとして構成されている。ただし、領域４０、４１、４２は、それぞれの層内において電気回路３７から絶縁している。層３１（図７）における検知層３８は、プリント回路基板の実装部品を含む回路３７における漏れ電流を検知するのに用いられる。入力接続部３９を介して出力電圧が検知層３８に印加される。当該検知層は、出力電圧の変化を検知するための検知器４３（図１０、１１）に接続されており、従って、検知器は漏れ電流を示すことができる。この際、電気回路の動作電圧範囲４７（図１３）外の出力電圧が、検知層に印加される。検知層３８は連続して延びており、検出層が設けられている領域は、プリント回路基板２７の領域とほぼ一致する。ただし、検知層の領域はプリント回路基板の領域を超えない。

アクチュエータシステム１における漏れ電流の発生は、通常、プリント回路基板２７及び／又は１つあるいは複数の実装部品を含む電気回路３７における欠陥が原因で起こる。電気の供給を続けることによって、当該欠陥部分またはその周辺にエネルギーが蓄積する。エネルギーの蓄積量が増すことによって、欠陥部分又はその周辺の温度が上昇し、これによって検知領域３８と電気回路３７の欠陥部分との間の漏れ電流の強度が増す。これは、主として、欠陥部分またはその周辺においてエネルギーの蓄積量が増すと、その部分で熱が発生するためである。エネルギーの蓄積は、欠陥部分またはその周辺での発火につながる危険性がある。このような事態は、もちろん望ましいものではなく、発火を阻止しなければ深刻な結果を招く。検知層３８は、漏れ電流を記録する検出器４３に接続されている。検出層に印加される電圧は、電気回路の動作電圧範囲外の電圧であるため、たとえわずかな漏れ電流でも、検出器によって検出することができる。漏れ電流の電圧は、電気回路３７の動作電圧範囲４７に含まれるものであるため、検出層３８に印加される出力電圧とは異なるからである。仮に電気回路３７の動作電圧範囲４７が０〜４０Ｖ（ボルト）であるとすると、検出層には、例えば５０Ｖや−１０Ｖの出力電圧が印加される。また、プリント回路基板の実装部品を含む回路４７に検出器４３を接続し、この回路が、検出器４３からの信号に基づいて、プリント回路基板の電気回路３７又は当該電気回路の一部に流れる電流を遮断するようにしてもよい。また、一実施形態として、発生した漏れ電流に関する信号をアクチュエータシステム（図１参照）のハンドコントローラー５に送信し、これによって使用者または関係スタッフに知らせるようにすることもできる。別の実施形態として、リニアアクチュエータシステムにおける、保守管理を必要とする他の部品も監視するサービスインジケーターに、上記信号を送信することもできる。別の実施形態として、上記信号を監視装置に送信し、この監視装置経由で技術者が派遣され、アクチュエータシステムを手作業で点検するようにすることもできる。これは、アクチュエータシステムをデータバス又はジャンクションボックスなどの通信プラットフォームに接続し、この通信プラットフォームから使用者、関係スタッフ又は他の装置に対して、漏れ電流の発生に関する情報を提供することによって実現可能である。さらに別の実施形態として、漏れ電流が所定の閾値を超えた状態及び／又は漏れ電流の発生が所定の時間続いた状態となるまで、漏れ電流に関する情報を送信しないようにすることもできる。検出器４３は、静的漏れ電流すなわち直流を検出するために用いられるバイポーラトランジスタなどのトランジスタによって構成することができる。この実施形態の一例を図１２に示す。別の実施形態として、検出層３８は、動的漏れ電流すなわち交流を検出するために用いられるコンデンサの一部によって構成することができる。

図１０は、図５〜９に示したプリント回路基板２７の電気回路３７を、検出器４３を介して検出層３８に接続する方法の概略を示している。本実施形態においては、検出器はプリント回路基板２７に設けられている。

図１１は、図５〜９に示したプリント回路基板２７の電気回路３７を、検出器４３を介して検出層３８に接続する別の方法の概略を示している。本実施形態においては、検出器はプリント回路基板２７には設けられていない。

図１２は、プリント回路基板２７の検出層３８に接続された検出器４３の一例を示す概略図である。本実施形態において、検出器４３は、直列に接続された２つの抵抗器４５、４６に接続されたトランジスタ４４によって構成されている。検出器は、漏れ電流が発生するとこれを測定することができ、漏れ電流が所定の閾値を超えると出力信号を発生させることができる。

図１３は、動作電圧範囲４７を示した二次元座標系であり、プリント回路基板２７の電気回路３７が動作する時の電圧（縦軸）を時間（横軸）について示したものである。検出層３８に印加される電圧は、この動作電圧範囲４７外のものである。

本発明は、１つの共通ハウジングに収容した２つのスピンドルユニットを有するいわゆるデュアルアクチュエータを含むアクチュエータシステムにも用いることができる。このタイプは、Linak A/Sによる国際公開第２００７／０９３１８１号に、より詳しく述べられている。

Claims (11)

1. 少なくとも、
   制御部と、
   電源（４）と、
   リニアアクチュエータ（２）と、
   操作装置（５）と、を備えてなるリニアアクチュエータシステム（１）であって、
   少なくとも１つの導電性回路（３７）を含む多層（２９、３１、３２、３５）を有する少なくとも１つのプリント回路基板（２７）を含み、前記プリント回路基板の前記層の少なくとも１つは、漏れ電流を検出するための検出層（３８）であり、前記導電性回路（３７）の動作電圧範囲（４７）外の電圧が前記検出層（３８）に印加されるようにしている、リニアアクチュエータシステム。
2. 前記検出層（３８）は、連続する導電層によって形成されている、請求項１に記載のリニアアクチュエータシステム（１）。
3. 前記検出層が設けられている領域は、前記プリント回路基板（２７）が設けられている領域とほぼ一致する、請求項１及び２のいずれかに記載のリニアアクチュエータシステム（１）。
4. 前記検出層（３８）は、漏れ電流を検出するための検出器（４３）に接続されている、請求項１〜３のいずれかに記載のリニアアクチュエータシステム（１）。
5. 前記プリント回路基板の前記導電性回路（３７）は、前記検出器（４３）を介して前記検出層（３８）に接続されている、請求項１〜４のいずれかに記載のリニアアクチュエータシステム（１）。
6. 前記検出器（４３）は、前記プリント回路基板（２７）に設けられている、請求項１〜５のいずれかに記載のリニアアクチュエータシステム（１）。
7. 前記検出器（４３）は、前記プリント回路基板（２７）とは離間して設けられている、請求項１〜５のいずれかに記載のリニアアクチュエータシステム（１）。
8. 前記検出器（４３）は、静的漏れ電流を検出するためのトランジスタである、請求項１〜７のいずれかに記載のリニアアクチュエータシステム（１）。
9. 前記検出器（４３）は、動的漏れ電流を検出するためのコンデンサの一部である、請求項１〜７のいずれかに記載のリニアアクチュエータシステム（１）。
10. 前記制御部を含むコントロールボックス（３）を備える、請求項１〜９のいずれかに記載のリニアアクチュエータシステム（１）。
11. 少なくとも、
    制御部と、
    電源（４）と、
    リニアアクチュエータ（２）と、
    操作装置（５）と、を備えてなるリニアアクチュエータシステム（１）における発火検知方法であって、
    前記リニアアクチュエータシステム（１）は、少なくとも１つの導電性回路（３７）を含む多層（２９、３１、３２、３５）を有する少なくとも１つのプリント回路基板（２７）を含み、前記プリント回路基板の前記層の少なくとも１つは、漏れ電流を検出するための検出層（３８）であり、前記導電性回路（３７）の動作電圧範囲（４７）外の電圧を前記検出層（３８）に印加する、検知方法。

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