JP6181639B2 - 電気モーターの接続を保証すべく意図された印刷回路及び印刷回路を含む電気モーター - Google Patents

Description

本発明は、電気モーター及びモーターの電気的接続を保証すべく意図された印刷回路に関する。

本発明は特に、直流電流が供給されるブラシを有する電気モーターに適しているが、任意の種類の電気モーターに同様に実装することができる。

直流モーターは電磁雑音の発生源である。文献においてはＥＭＩ（「ＥｌｅｃｔｒｏＭａｇｎｅｔｉｃ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ」の略）として公知の電磁干渉は、モーターの端子及び電力供給線により生じる場合がある。これらの干渉により、モーターの近傍に位置する他の電気設備が外乱を受ける恐れがある。干渉は、アナログ設備及びデジタル設備の両方に外乱を与える。

電磁干渉の最大の発生源はモーターブラシの整流である。各整流において、ブラシが整流子の部分との接触を断った場合に、電磁界としてモーターの巻き線に蓄積されていたエネルギーがブラシと整流子部との間で電圧スパイクを生起させる。これは通常の整流が行われる間だけでなく、回転する整流子の上でブラシがはねる状況でも生じる。電機子に界磁フレームを有していないモーターを用いることが可能であるが、電機子のインダクタンスが低いため外乱の発生は少ないものの、外乱を完全に排除することはできない。

外乱の別の発生源はモーター電力供給線に起因するものである。外乱は、伝導または放射し得る。放射された外乱は、動力供給端子をモーター自身に極力近傍配置して、モーターへ自身の端子を介して電力供給するために撚り線を用いることにより抑制できる。残念なことに、安価な電気モーターの製造業者の一部は、直径方向の反対側にある遠隔端子を提供することがある。この場合、撚り線対を用いても端子に電流ループが残り、そのようなループは電磁気エネルギーを放射する傾向がある。

伝導性外乱は、モーターの近傍にフィルター要素を配置することにより抑制できる。インダクター及び電力供給線とモーターが属する設備の接地点との間に接続されたコンデンサーをモーターの電力供給線上に直列に配置することは一般的である。各々のコンデンサーは、モーターの端子の１個と固定子の金属界磁フレームとの間にはんだ付けされていてよい。

これらのフィルター要素には短所がある。まず第一に、嵩張るため設備の設置面積が大きくなる。設備に振動を加えると、フィルター要素はモーターの要素から各々別個に位置ずれが生じ、電気的接続に負荷が掛かる結果、接続部分が破損する恐れもある。フィルター要素の重量もまた、特に人型ロボットにおけるような埋め込みアプリケーションで短所がある。実際に、重量の増加は、ロボットが移動する際にモーターにより生じるトルクが増大しなければならないことを意味し、ロボットの電力消費増大、従って自律性の低下に至る恐れがある。

また、生成されるフィルタリングは周波数の観点からは同一とは言い難い。更に、コンデンサー及びインダクターは、各々の電力供給線に一対ずつ付加された個別素子である。１個の対において、各々の要素の値は、製造公差内で異なり得る。これらの差異により、特に差動モード外乱に対するフィルターの品質が低下する。別の短所が、コンデンサーをモーターの界磁フレームにはんだ付けする際に生じる。直流電流が供給されるブラシを備えた電気モーターにおいて、固定子界磁フレームは永久磁石を内蔵している。これらの磁石ははんだ付けにより影響を受け、磁石の温度がキュリー点を超えるまで局所的に上昇する恐れがある。

モーターの制御もまた、電磁的外乱の発生源である。この制御は、直流の高周波スイッチングにより行うことができる。この種のスイッチングは、「Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ（パルス幅変調）」の略語ＰＷＭで文献において公知である。電子スイッチが、モーター電力供給線により伝導及び放射される多数の高調波成分を生成する急なエッジで直流を細切れにする。この種の外乱は、フィルタリング要素により、またモーターを配置できる遮蔽材によっても減衰させることができる。撚り線対を用いることもまた、この種の外乱の抑制に有益である。遮蔽材は一般に、追加された金属部分からなり、従って、モーター環境の重量、体積、及びのコストを上昇させる傾向がある。

本発明は、実装が簡単且つ軽量で安価なモーターに利用可能であって、たとえ接続端子の寸法及び位置が異なっていても、異なる供給元からのモーターに容易に適合可能な解決策を提案することにより、電気モーターにより生じて放射される外乱の抑制を意図している。本発明はまた、自身の環境から生じる外乱に対するモーターの脆弱性の抑制も可能にする。

この目的のため、本発明の主題は、電気的接続を保証すべく電気モーターへの固定を意図された印刷回路であって、
・電気モーターの第１の面を覆うべく意図された中心部、
・中心部から延在し、モーターの第２の面を部分的に覆い、当該第２の面との電気的接続を意図された可撓性舌部、
・モーターから接続部を受容すべく意図された第１のスタッド対、
・モーターから電力供給線を受容すべく意図された第２のスタッド対、
・各々が第１のスタッド対を第２のスタッド対に接続するトラック、
・トラック間で接続されたフィルタリングコンデンサー、及び
・中心部及び可撓性舌部の大部分を覆う接地面であって、モーターの第２の面を形成する金属部分との電気的接続を意図された接地面を含むことを特徴とする。

本発明の別の主題は、本発明による印刷回路を含む電気モーターである。

例として与える実施形態に関して添付の図面に図示する詳細記述を精査することにより、本発明に対する理解が深まると共に、他の利点も明らかになろう。

本発明に準拠する印刷回路を示す。 印刷回路を形成する層の積層の例を断面図で模式的に示す。 印刷回路に搭載可能なフィルタリングコンデンサーを模式的に示す。 印刷回路に搭載可能なフィルタリングコンデンサーの変形例を示す。 電気モーターに搭載された印刷回路を示す。

明快さのため、異なる図面の同一要素に同一参照番号を付している。

大多数の回転電気モーターは全体的に２個の平坦面により区切られたシリンダー部形状の外面を有している。モーターの回転軸はシリンダーの軸であり、モーターの接続は、電力供給線が接続可能な舌部により、例えばはんだ付けにより、またはコネクターを介して、２個の平面の一方になされる。以下、「モーター電力供給線」という用語は、電力供給を保証するモーターの任意の接続手段、例えば可撓性印刷回路を含むものとする。シリンダー部分及び２個の平面の一方は金属ジャケットにより形成されていてよい。第２の平面は、モーター接続を遮蔽するプラスチック材料で作られていてよい。

図１に、電気モーターとの電気的接続を保証すべく電気モーターへの固定を意図された片面印刷回路１０を示す。片面印刷回路が、一方の面が導電トラックを受容する絶縁基板により形成されていることを想起されたい。片面印刷回路の実装は従って、製造コストの削減を可能にする。印刷回路１０は、モーター接続を遮蔽する平面を覆うべく意図された中心部１１を含んでいる。図に示す例では、中心部１１は最も一般的なモーターに適合するよう円形をなしている。中心部１１の直径は、中心部１１が覆うべきモーターの平面の直径にほぼ等しい。明らかに、他の形状も可能である。

印刷回路１０はまた、中心部に延在してモーターの円筒面を部分的に覆うべく意図された可撓性舌部１２を含んでいる。舌部が可撓性であるため、円筒面に沿って折り返すことができる。図１において、舌部１２が折り返される前の、印刷回路１０を平面で示している。円形の中心部１１の場合、舌部１２は、印刷回路１０が平坦なときに中心部１１の半径に沿って中心部１１の周囲に延在している。図１において、１２個の舌部１２が中心部１１の周囲に一様に分布している。明らかに、本発明はこの数の舌部に限定されない。

印刷回路１０はまた、モーターから接続部を受容すべく意図された第１のスタッド対１３ａ、１３ｂ、及びモーター電力供給線を受容すべく意図された第２のスタッド対１４ａ、１４ｂを含んでいる。トラック１５ａがスタッド１３ａと１４ａを接続している。トラック１５ｂがスタッド１３ｂと１４ｂを接続している。

印刷回路１０を貫通し、且つモーター接続端子を貫通させるべく意図された２個の穴１６ａ、１６ｂが設けられていてよい。穴１６ａは、スタッド１３ａの近傍に作られ、穴１６ｂはスタッド１３ｂの近傍に作られている。

フィルタリングコンデンサー１８が、トラック１５ａ及び１５ｂの間に接続されている。接地面１９が、中心部１１及び可撓性舌部１２の大部分を覆う。片面印刷回路の場合、図２ａの断面図に示すように、接地面１９は、スタッド１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂ及びトラック１５ａ、１５ｂ用に空間を残すべく切り欠かれている。

両面印刷回路を図２ｂの断面図に示すように製造することも可能である。接地面１９は印刷回路１０の外面に作られ、スタッド及びトラックは反対側の外面に作られている。換言すれば、印刷回路１０は、絶縁層２３で分離された２個の導電層２１、２２を含んでいる。層２１は接地面１９を形成している。トラック１５ａ、１５ｂ、及び２対のスタッド１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂが層２２においてエッチングされている。印刷回路１０を電気モーターに搭載する場合、接地面１９は、印刷回路１０により覆われた電気モーターの表面と向かい合うべく意図されている。従って、接地面１９は、モーターが放射する外乱からより良好に保護すべくモーターとトラック１５ａ、１５ｂとの間のスクリーンとして機能する。

トラック１５ａ及び１５ｂの保護は、図２ｃの断面図に示すように、第２の接地面２４を追加することにより更に向上させることができる。トラック１５ａ、１５ｂは次いで、２個の接地面１９、２４の間に挟まれる。換言すれば、印刷回路１０は、第２の接地面２４を形成する第３の導電層を含んでいて、導電層２２、２４の間に絶縁層２５が配置されている。接地面２４は、コンデンサー１８を受容すべく接触ランド２６用の空間を残すべく切り欠かれている。接触ランド２６は、めっき処理された貫通孔２７によりトラック１５ａ、１５ｂに接続されている。

有利な点として、コンデンサー１８はＸ２Ｙ形式であって、トラック１５ａ、１５ｂ、及び接地面１９に接続されている。この種のコンデンサーは、米国カルフォルニア州１５１９１ Ｂｌｅｄｓｏｅ Ｓｔ． Ｓｙｌｍａｒを拠点とするＪｏｈａｎｓｏｎ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｓ社により製造されている。この種のコンデンサーのための完備された資料をウェブサイトｗｗｗ．ｘ２ｙ．ｃｏｍで見ることができる。

図３に、Ｘ２Ｙ形式のコンデンサーの等価回路図を示す。当該要素は、４個の接続端子Ａ、Ｂ、Ｇ１及びＧ２を含んでいる。主要な単体コンデンサー３０が端子ＡとＢの間に接続され、２個の補助的な単体コンデンサー３１、３２のうち、コンデンサー３１が端子Ａと端子Ｇ１の間に、コンデンサー３２が端子Ｂと端子Ｇ２の間に接続されている。製造に際して、異なるコンデンサー３０、３１及び３２の電極はインターリーブされ、当該アセンブリーは貫通孔のない印刷回路への表面搭載を意図されたパッケージとしてカプセル化される。２個の補助コンデンサー３１、３２は完全に一致している。

図４に、端子Ａ、Ｂが各々トラック１５ａ、１５ｂの一方に接続され、且つ端子Ｇ１、Ｇ２が接地面１９に接続されるように印刷回路１０に搭載されたＸ２Ｙ型のコンデンサー１８を示す。３個の単体コンデンサー３０、３１及び３２を用いることで、共通モード外乱及び差分外乱を抑制することが可能になる。異なる単体コンデンサー３０、３１及び３２が入れ子になっていることで、各々のトラック１５ａ、１５ｂにより生じる放射を補償することが可能になる。Ｘ２Ｙ型のコンデンサー１８は、例えば、印刷回路１０への表面搭載を意図されたパッケージとして製造されている。この目的のため、トラック１５ａは端子Ａを収容すべく接続ランド３３を含み、トラック１５ｂは端子Ｂを収容すべく接続ランド３４を含んでいて、接地面１９は端子Ｇ１、Ｇ２を収容すべく２個の接続ランド３５、３６を含んでいる。コンデンサー１８の異なる端子は、自身の各接続ランドにはんだ付けされている。

代替的に、フィルタリングコンデンサーは、トラック１５ａ、１５ｂの間に直列に接続された２個のコンデンサー３７、３８により形成されている。接地面１９は従って、２個のコンデンサー３７、３８の共通端子に接続されている。２個のコンデンサー３７、３８は別個であって同一の値を有している。図４との電気類似性に対する理解を深めるべく、端子名Ａ及びＧ１はコンデンサー３７用に保持し、端子名Ｂ及びＧ２はコンデンサー３８用に保持している。従って２個の個別コンデンサー３７、３８の間で極力大きい相互インダクタンスが生じるように、２個の個別コンデンサー３７、３８を図５に示すように極力互いに近接して配置することが望ましい。より具体的には、一方では端子Ａ及びＧ２、他方では端子Ｂ及びＧ１が極力近接して配置されている。この構成により、生じる放射及び２個のトラック１５ａ、１５ｂの外部放射に対する脆弱性を低下させることが可能になる。Ｘ２Ｙ型のコンデンサーを実装する変形例のように、コンデンサー３７、３８は、印刷回路１０への表面搭載を意図されたパッケージとして製造することができる。この目的のため、図４に接続ランド３３〜３６をも示す。しかし、この変形例は、Ｘ２Ｙ型のコンデンサーよりも電磁的外乱のフィルタリングの結果が思わしくない。２個の個別コンデンサーでは、接地点に対して２個のトラック１５ａ、１５ｂの共通モード外乱しかフィルタリングされない。

個別コンデンサーを用いることで、図６に示すように、トラック１５ａ、１５ｂの間で接続された第３のコンデンサー３９を追加することによりフィルタリングを更に向上させることが可能である。コンデンサー３９は、Ｘ２Ｙ型のコンデンサーの単体コンデンサー３０と電気的に等価である。コンデンサー３９により、２個のトラック１５ａ、１５ｂ間の差分モード外乱をフィルタリングすることが可能になる。コンデンサー３９は、印刷回路１０への表面搭載を意図されたパッケージとして製造することができる。この目的のため、コンデンサー３９は、トラック１５ａに属する接続ランド３３ａと、トラック１５ｂに属する接続ランド３３ｂとの間ではんだ付けされている。上述のように、図６に示すように、３個の個別コンデンサー３７、３８及び３９の間で極力大きい相互インダクタンスが生じるようにこれらを極力互いに近傍して配置することが有利である。

上記にもかかわらず、Ｘ２Ｙ型のコンデンサーの電極がインターリーブされていることで当該コンデンサーを構成する異なる単体コンデンサー３０、３１及び３２の相互インダクタンスの最大化を可能にするが、Ｘ２Ｙ型のコンデンサーの性能は達成されない。更に、個別コンデンサー３７、３８を実装する場合よりも、単体コンデンサー３１、３２の方がより良く合致する。換言すれば、Ｘ２Ｙ型のコンデンサーは、２個の個別コンデンサー３７、３８よりも共通モード外乱のフィルタリングを良好に行える。

図７ａ、７ｂに、印刷回路１０を備えた電気モーター４０を示す。モーター４０は、円筒面４２及び平坦な底部４３の形状をなす金属ジャケット４１を含んでいる。モーターの出力シャフト４４は、円筒面４２の軸に沿って延在し、底部４３を通ってモーター４０から突き出ている。モーター４０は、底部４３に平行な円形の平面を形成するプラスチックカバー４５に囲まれている。２個の端子４６、４７がカバー４５から突き出て、モーター４０の動力供給端子を形成している。印刷回路１０は、カバー４５に対向して配置されている。より具体的には、中心部１１は、カバー４５により形成される平面に平行に配置されている。各々の端子４６、４７は、印刷回路１０の穴１６ａ、１６ｂの一方を貫通し、次いで、例えばはんだ付けにより各々のスタッド１３ａ、１３ｂに接続された中心部１１に平行に折り返される。

舌部１２が、円筒面４２に沿って中心部１１の平面と直角に折り返されることにより、接地面１９が円筒面４２上で金属ジャケット４１と電気的に接触することができる。コンデンサー１８の端子Ｇ１、Ｇ２の金属ジャケット４１との電気的接続がこのように得られる。

可撓性舌部１２を用いることで、円筒面の直径が僅かに変化し得るモーターに印刷回路１０を配置することが可能になる。例えば、連続生産において異なる製造業者から入手した電気モーターを実装することが可能になろう。

更に、再び異なる製造業者を仮定すれば、取引のある異なる製造業者が、カバー４５上の異なる位置にある端子を提供しても、穴１６ａ、１６ｂの複数の対を提供することが可能である。

接地面１９の舌部１２への電気的接続、及び金属ジャケット４１の円筒面４２への電気的接続は、図７ａに示すように直接的な接触により行うことができる。舌部１２周辺の接着テープ４８により舌部１２を金属ジャケット４１に押し付けた状態に保つことができる。代替的に、図７ｂに示すように、一方では円筒面４２に、他方では舌部１２に接着する両面導電接着剤４９を注入することにより、当該接続を保証することが可能である。

Claims (12)

1. 電気的接続を保証すべく電気モーター（４０）への固定を意図された印刷回路であって、
   ・前記電気モーター（４０）の第１の面（４５）を覆うべく意図された中心部（１１）と、
   ・前記中心部（１１）から延在し、前記モーター（４０）の第２の面（４２）を部分的に覆い、前記第２の面（４２）との電気的接続を意図され、任意の位置で折り曲げ可能な可撓性舌部（１２）と、
   ・前記モーター（４０）の接続部（４６、４７）を受容すべく意図された第１のスタッド対（１３ａ、１３ｂ）と、
   ・前記モーター（４０）へ接続される電力供給線を受容すべく意図された第２のスタッド対（１４ａ、１４ｂ）と、
   ・各々が前記第１のスタッド対（１３ａ、１３ｂ）を前記第２のスタッド対（１４ａ、１４ｂ）に接続するトラック（１５ａ、１５ｂ）と、
   ・前記トラック（１５ａ、１５ｂ）間で接続されたフィルタリングコンデンサー（１８；３７，３８，３９）、及び
   ・前記中心部（１１）及び前記可撓性舌部（１２）の少なくとも一部を覆う接地面（１９）であって、前記モーター（４０）の前記第２の面（４２）を形成する金属部分との電気的接続を意図された接地面（１９）を含むことを特徴とする印刷回路。
2. 前記コンデンサー（１８）が、Ｘ２Ｙ型であって、前記トラック（１５ａ、１５ｂ）及び前記接地面（１９）に接続されていることを特徴とする、請求項１に記載の印刷回路。
3. 前記フィルタリングコンデンサーが、前記トラック（１５ａ、１５ｂ）の間で直列に接続された２個の個別コンデンサー（３７、３８）により形成され、且つ前記接地面（１９）が前記２個のコンデンサー（３７、３８）の共通端子（Ｇ１、Ｇ２）に接続されていることを特徴とする、請求項１に記載の印刷回路。
4. 前記トラック（１５ａ、１５ｂ）の間で接続された第３の個別コンデンサー（３９）を含んでいることを特徴とする、請求項３に記載の印刷回路。
5. 前記個別コンデンサー（３７、３８、３９）が、前記個別コンデンサーの間に極力大きい相互インダクタンスを生成すべく互いの極力近傍に配置されていることを特徴とする、請求項３または４に記載の印刷回路。
6. 前記中心部（１１）が円形であり、前記印刷回路（１０）が平坦である場合、前記舌部（１２）が前記中心部（１１）からの半径に応じて前記中心部（１１）の周辺に延在することを特徴とする、請求項１〜５の何れか１項に記載の印刷回路。
7. 片面であることを特徴とする、請求項１〜６の何れか１項に記載の印刷回路。
8. 絶縁層（２３）により分離された２個の導電層（２１、２２）を含んでいること、前記２個の導電層のうち前記第１の導電層（２１）が前記接地面（１９）を形成すること、前記トラック（１５ａ、１５ｂ）及び前記２対のスタッド（１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂ）が前記２個の導電層のうち前記第２の導電層（２２）でエッチングされていること、及び前記接地面（１９）が前記電気モーター（４０）の前記第１の面（４５）に対向すべく意図されていることを特徴とする、請求項１〜７の何れか１項に記載の印刷回路。
9. 前記第２の導電層（２２）が前記第１の導電層（２１）と、第３の導電層（２４）との間に配置され、第２の絶縁層（２５）が前記第２（２２）及び第３（２５）の導電層の間に配置されていることを特徴とする、請求項８に記載の印刷回路。
10. 請求項１〜９の何れか１項に記載の印刷回路（１０）を含むことを特徴とする電気モーター。
11. 前記モーター（４０）の前記第２の面（４２）と前記舌部（１２）の前記接地面（１９）との電気的接続が直接接触によりなされること、及び前記舌部（１２）が、前記舌部（１２）を囲む接着テープ（４８）により前記第２の面（４２）に押し付けられた状態に保たれることを特徴とする、請求項１０に記載の電気モーター。
12. 前記モーター（４０）の前記第２の面（４２）と前記舌部（１２）の前記接地面（１９）との電気的接続が、一方では前記第２の面（４２）に、他方では前記舌部（１２）に接着する両面導電接着剤（４９）を挿入することにより保証されることを特徴とする、請求項１１に記載の電気モーター。

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