WO2022138266A1

WO2022138266A1 - 制御装置

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Publication number: WO2022138266A1
Application number: PCT/JP2021/045753
Authority: WO
Inventors: 元 ▲高▼木
Original assignee: 日本電産サンキョー株式会社
Priority date: 2020-12-25
Filing date: 2021-12-13
Publication date: 2022-06-30
Also published as: US20240276665A1; JP2022101840A; KR20230104239A; CN116600950A

Abstract

制御回路基板と電源回路基板とを高精度に相対位置合わせすることなく、駆動回路基板を適切に設置することができるロボットコントローラを提供する。制御回路基板が、制御信号を出力するための出力端子を具備する信号出力コネクタと、電源回路基板によって生成された電源が入力される直流電圧入力コネクタと、前記電源を出力するための出力端子を具備する電源出力コネクタとを備え、駆動回路基板が、制御信号を入力するための入力端子を具備する信号入力コネクタと、前記電源を入力するための入力端子を具備する電源入力コネクタとを備え、電源回路基板が、電源を出力するための電源出力部を備え、駆動回路基板が、信号入力コネクタと信号出力コネクタとの接続、及び電源入力コネクタと電源出力コネクタとの接続により、制御回路基板の基板面上から立ち上がる姿勢で制御回路基板に保持される。

Description

制御装置

　本発明は、ロボットコントローラ等の制御装置に関する。

　従来、モータを駆動するための駆動回路を具備する駆動回路基板と、駆動回路基板に送信する制御信号を生成する制御回路を具備する制御回路基板と、モータに供給されるモータ駆動電源の元となる電源を生成して駆動回路基板に供給する電源回路を具備する電源回路基板とを備える制御装置が知られている。

　例えば、特許文献１に記載のロボットコントローラは、駆動回路基板と、筐体の底板の面に沿って互いの基板面を並べる態様で配置される制御回路基板及び電源回路基板とを備える。駆動回路基板は、基板面の一端部において、基板側方を向く姿勢で固定された信号入力コネクタ及び電源入力コネクタを備える。また、制御回路基板は、基板面上において上方を向く姿勢で固定された信号出力コネクタを備える。また、電源回路基板は、基板面上において上方を向く姿勢で固定された電源出力コネクタを備える。駆動回路基板は、制御回路基板及び電源回路基板のそれぞれの基板面上から立ち上がる姿勢で、制御回路基板と電源回路基板とに架設される。その架設は、駆動回路基板の信号入力コネクタと制御回路基板の信号出力コネクタとを接続し、且つ駆動回路基板の電源入力コネクタと電源回路基板の電源出力コネクタとを接続することで実現される。

　特許文献１によれば、かかる構成のロボットコントローラは、筐体内に配置される各種の回路基板の内部構造を簡素化することができるとされる。

特許第５８０３２１３号

　しかしながら、特許文献１に記載のロボットコントローラでは、筐体内において、制御回路基板と電源回路基板との相対位置合わせが必要になる。相対位置合わせが行われていないと、駆動回路基板の信号入力コネクタと制御回路基板の信号出力コネクタとの接続と、駆動回路基板の電源入力コネクタと電源回路基板の電源出力コネクタとの接続とを、適切な状態で両立させることができなくなるからである。特に、特許文献１に記載のロボットコントローラにおいては、複数のモータを個別に駆動するために、制御回路基板と電源回路基板とに架設する駆動回路基板を複数設けていることから、前述の相対位置合わせを高精度に行う必要がある。その高精度の相対位置合わせにより、ロボットコントローラの生産性を低下させてしまうという課題があった。

　本発明は、以上の背景に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、制御回路基板と電源回路基板とを高精度に相対位置合わせすることなく、駆動回路基板を適切に設置することができる制御装置を提供することである。

　上記目的を達成するために、本発明は、モータを駆動するための駆動回路を具備する駆動回路基板と、前記駆動回路基板に送信する制御信号を生成する制御回路を具備する制御回路基板と、前記モータに供給されるモータ駆動電源の元となる電源を生成して前記駆動回路基板に供給する電源回路を具備する電源回路基板とを備え、前記制御回路基板が、前記制御信号を出力するための出力端子を具備する信号出力コネクタを備え、前記駆動回路基板が、前記制御信号を入力するための入力端子を具備する信号入力コネクタと、前記電源回路によって生成された電源を入力するための入力端子を具備する電源入力コネクタとを備える制御装置であって、前記電源回路基板が、電源を出力するための電源出力部を備え、前記制御回路基板が、前記電源回路によって生成された電源を入力される電源入力部と、前記電源を出力するための出力端子を具備する電源出力コネクタとを備え、前記駆動回路基板が、前記信号入力コネクタと前記制御回路基板の前記信号出力コネクタとの接続、及び前記電源入力コネクタと前記制御回路基板の前記電源出力コネクタとの接続により、前記制御回路基板の面上から立ち上がる姿勢で前記制御回路基板に保持されることを特徴とするものである。

　本発明によれば、制御回路基板と電源回路基板とを高精度に相対位置合わせすることなく、駆動回路基板を適切に設置することができる制御装置を提供することができるという優れた効果を奏する。

実施形態に係るロボットコントローラの要部を斜め上方示す斜視図である。同ロボットコントローラの制御回路基板と、駆動回路基板とを示す斜視図である。同ロボットコントローラの各種の基板を図１とは異なるアングルから示す斜視図である。

　以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る制御装置としてのロボットコントローラの一実施形態について説明する。なお、以下の図面においては、各構成をわかり易くするために、実際の構造、並びに、各構造における縮尺及び数、などを異ならせる場合がある。

　まず、実施形態に係るロボットコントローラの基本的な構成について説明する。実施形態に係るロボットコントローラは、産業用ロボットに搭載された複数のモータのそれぞれの駆動を個別に制御するものである。

　図１は、実施形態に係るロボットコントローラ１の要部を斜め上方示す斜視図である。ロボットコントローラ１は、筐体の底板２及び前面パネル３、電源装置搭載部４、第２通信回路基板５、ノイズ除去器６、電源回路基板１０、電源制御基板２０、制御回路基板５０、４つの駆動回路基板８０などを備える。

　電源装置搭載部４は、外部電源を、制御信号用の５Ｖ電源などに変換して出力する電源装置を搭載するものである。モータ駆動電源の元となる交流電源は、ノイズ除去器６と、電源制御基板２０とを介して、電源回路基板１０に入力される。電源回路基板１０は、交流電源を直流電源に変換し、モータに供給されるモータ駆動電源として出力する電源回路を具備する。その電源回路は、複数の電界コンデンサ１１を具備する。

　前面パネル３には、複数の貫通開口が配置され、それぞれの貫通開口には、外部機器と通信接続するための外部コネクタ９８が貫通する。複数の外部コネクタ９８は、後述の第２通信回路基板５、又は第１通信回路基板に実装されたものである。

　電源装置搭載部４の背面パネル４ａには、排気口４ａ１が設けられる。その排気口４ａ１を通じて筐体内の空気を筐体外に排気する排気ファンが、前述の背面パネル４ａに固定される。

　ロボットコントローラ１は、複数の駆動回路基板８０を搭載することが可能であり、図示の例では、駆動回路基板８０を４つだけ搭載している。駆動回路基板８０は、モータを駆動するための駆動回路を具備する。また、制御回路基板５０は、複数搭載される駆動回路基板８０のそれぞれに送信する制御信号を個別に生成する制御回路を具備する。

　なお、図１において、矢印Ｂ方向は、筐体の前後方向を示し、矢印Ｃ方向は、筐体の左右方向を示す（後述の図２、図３も同様）。

　図２は、制御回路基板５０と、駆動回路基板８０とを示す斜視図である。図２においては、駆動回路基板８０が１つだけ示されており、この駆動回路基板８０は制御回路基板５０から取り外された状態である。制御回路基板５０は、基板裏面を筐体の底板（図１の２）に対向させ、且つ基板長手方向を筐体の左右方向（矢印Ｃ方向）に沿わせる姿勢で、底板に固定される。

　制御回路基板５０の構造は、６つの層が積層された６層構造である。層と層との境界には、配線パターンが介在する。電源回路基板１０の構造は、２つの層が積層された２層構造である。

　制御回路基板５０は、互いに筐体の前後方向（矢印Ｂ方向）に並ぶ電源中継領域Ａ２と制御回路搭載領域Ａ１とを備える。駆動回路基板８０に送信するための制御信号を生成する制御回路は、制御回路搭載領域Ａ１に設けられる。

　制御回路基板５０は、８組のコネクタ組を備える。１組のコネクタ組は、制御信号を出力するための出力端子を具備する信号出力コネクタ５１と、電源回路基板（図１の１０）の電源回路から出力される直流電源を出力するための出力端子を具備する電源出力コネクタ５２とからなり、それらコネクタは筐体の前後方向（矢印Ｂ方向）に沿って並ぶ。コネクタ組の信号出力コネクタ５１は、制御回路搭載領域Ａ１に設けられ、電源出力コネクタ５２は、電源中継領域Ａ２に設けられる。信号出力コネクタ５１及び電源出力コネクタ５２は何れも、出力端子の先端を基板面と直交する上方に向ける姿勢で、制御回路基板５０のおもて面に実装される。なお、信号出力コネクタ５１は、駆動回路基板８０の駆動回路を制御するための制御電源を出力する制御電源端子も備える。

　制御回路基板５０は、電源回路基板（図１の１０）によって生成された直流電源が入力される電源入力部としての直流電圧入力コネクタ５４を備える。また、制御回路基板５０は、高速シリアル通信コネクタ５３と、エンコードコネクタ５５とを備える。直流電圧入力コネクタ５４に入力された直流電源は、制御回路基板５０の電源中継領域Ａ２において、複数の分岐配線パターンに分配されて、複数の電源出力コネクタ５２のそれぞれの出力端子に入力される。

　実施形態に係るロボットコントローラ１においては、直流電圧を生成するための電源回路を制御回路基板５０の電源中継領域Ａ２に備えないので、電源回路を備えることによる制御回路基板５０の面積拡大化を回避することができる。

　駆動回路基板８０は、信号入力コネクタ８１、電源入力コネクタ８２、駆動電源出力コネクタ８３、及びヒートシンク８４を備える。信号入力コネクタ８１及び電源入力コネクタ８２は、基板短手方向の一端部において、筐体の前後方向に並び、且つ、入力端子を基板面の中央側から基板外側に向ける態様で基板おもて面に実装される。図中一点鎖線で示されるように、駆動回路基板８０の信号入力コネクタ８１は、制御回路基板５０の信号出力コネクタに接続され、駆動回路基板８０の電源入力コネクタ８２ｈｓ、制御回路基板５０の電源出力コネクタ５２に接続される。それらの接続により、駆動回路基板８０は、基板長手方向を筐体の前後方向（矢印Ｂ方向）に沿わせつつ、制御回路基板５０のおもて面上から立ち上がる姿勢で、制御回路基板５０に保持される。

　かかる構成のロボットコントローラ１では、駆動回路基板８０を、電源回路基板（図１の１０）と制御回路基板５０とに架設することなく、電源回路基板１０と制御回路基板５０とのうち、制御回路基板５０だけに保持させる。このような保持により、制御回路基板５０と電源回路基板１０とを高精度に相対位置合わせすることなく、駆動回路基板８０を適切に設置することができる。

　駆動回路基板８０の駆動回路は、制御回路基板５０の電源出力コネクタ５２から送られてくる直流電源を、多相交流電圧からなるモータ駆動電源に変換する。モータ駆動電源は、駆動回路基板８０の駆動電源出力コネクタ８３を通じて、外部のモータに供給される。

　図３は、各種の基板を図１とは異なるアングルから示す斜視図である。なお、図３においては、便宜上、第２通信回路基板（図１の５）の図示が省略されている。電源回路基板１０は、直流電源を出力するための電源出力部としての直流電圧出力コネクタ１３を備える。制御回路基板５０の直流電圧入力コネクタ５４と、電源回路基板１０の直流電圧出力コネクタ１３とは、コネクタ付き電源ケーブル９３によって電気接続される。かかる構成によれば、電源回路基板１０と制御回路基板５０との相対位置合わせを高精度に行うことなく、電源回路基板１０の電源回路によって生成された直流電源を、制御回路基板５０の電源中継領域Ａ２に供給することができる。

　電源回路基板１０と電源制御基板２０とは、２階建ての態様で配置される。電源制御基板２０は、電源回路基板１０の電源回路からの直流電源の出力をオン／オフするための回路、交流電源の入力を検出する回路などを具備する。また、電源制御基板２０の構造は、４つの層を積層した４層構造である。

　ロボットコントローラ１は、第１通信回路基板７と、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）１０１を具備する上位制御基板１００とを備える。

　第１通信回路基板７は、高速シリアル通信コネクタ７ａと、エンコードコネクタ７ｃとを備える。上位制御基板１００は、第１通信回路基板７を介した高速シリアル通信により、制御回路基板５０と周期通信を行う。その周期通信を可能にするために、第１通信回路基板７の高速通信コネクタ７ａと、制御回路基板５０の高速通信コネクタ５３とが、コネクタ付き通信ケーブル９２を介して電気接続される。また、第１通信回路基板７と、上位制御基板１００とが、不図示の連結コネクタを介して互いに電気接続される。

　第１通信回路基板７、上位制御基板１００、及び第２通信回路基板（図１の５）は、３階建ての態様で配置される。上位制御基板１００は、第１通信回路基板７の上方に位置する。第２通信回路基板５は、上位制御基板１００の上方に位置し、第１通信回路基板７のおもて面上に固定される。

　ロボットコントローラ１内の各種機器の制御を司るため演算処理を実行するＣＰＵ１０１を具備する上位制御基板１００の構造は、１０層構造である。複数のコネクタ組を具備する制御回路基板５０は、平面積が大きくなり易い。このような制御回路基板５０は、ＣＰＵを具備してしまうと、大面積で、且つ多くの層（例えば１０層）が積層された高価なＣＰＵ電子基板になってしまう。そこで、ロボットコントローラ１においては、ＣＰＵ１０１を具備する上位制御基板１００を、制御回路基板５０とは別に設けている。かかる構成では、制御回路基板５０にＣＰＵを配置する場合に比べて、ＣＰＵ搭載電子基板（実施形態では上位制御基板１００）の平面積を小さくして、低コスト化を図ることができる。

　実施形態に係るロボットコントローラ１においては、上述のように、外部との通信を行う第１通信回路基板７、及び第２通信回路基板５を、上位制御基板１００とは別体とし、それら３つの基板を３階建ての態様で配置している。かかる構成によれば、高価な上位制御基板１００に通信回路を配置する構成に比べて、上位制御基板１００の面積を小さくして低コスト化を図ることができる。

　第１通信回路基板７のエンコードコネクタ７ｃと、制御回路基板５０のエンコードコネクタ５５とは、平型ハーネス９１によって電気接続される。平型ハーネス９１は、第１通信回路基板７、電源制御基板２０、及び制御回路基板５０の下方を這いまわされる。

　産業用ロボットには、複数のモータが搭載される。それらモータのそれぞれのロータリーエンコーダから個別に出力される回転角速度信号（又は回転位置信号）は、外部配線を介して第１通信回路基板７に入力される。そして、回転角速度信号（又は回転位置信号）は、平型ハーネス９１と、制御回路基板５０の信号出力コネクタ（図２の５１）とを介して、駆動回路基板８０に入力される。

　図１においては、便宜上、前面パネル３の面方向の全域のうち、一部領域しか示されていない。前面パネル３における不図示の領域には、外気を吸気するための吸気口が配置される。実施形態に係るロボットコントローラ１においては、前面パネル３が、筐体の所定方向における一方側（前後方向における前側）の壁に相当する。また、ロボットコントローラ１においては、電源装置搭載部４の背面パネル４ａが、筐体の所定方向における他方側（前後方向の後側）の壁に相当し、背面パネル４ａには、筐体内の空気を排気する排気口４ａ１が配置される。駆動回路基板８０は、放熱器としてのヒートシンク８４の放熱板８４ａを筐体の前後方向（所定方向）と平行な方向に延在させる姿勢で、制御回路基板５０に保持される。

　かかる構成においては、筐体の吸気口から筐体内に吸気した空気を、放熱板８４ａに接触させながら放熱板８４ａの延在方向に沿ってスムーズに移動させた後、筐体の排気口からスムーズに排気することで、駆動回路基板８０を効率良く冷却することができる。

　以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。実施形態は、発明の範囲及び要旨に含まれると同時に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

　本発明は、以下の態様毎に特有の効果を奏する。
〔第１態様〕
　第１態様は、モータを駆動するための駆動回路を具備する駆動回路基板（例えば駆動回路基板８０）と、前記駆動回路基板に送信する制御信号を生成する制御回路を具備する制御回路基板（例えば制御回路基板５０）と、前記モータに供給されるモータ駆動電源の元となる電源（例えば直流電源）を生成して前記駆動回路基板に供給する電源回路を具備する電源回路基板（例えば電源回路基板１０）とを備え、前記制御回路基板が、前記制御信号を出力するための出力端子を具備する信号出力コネクタ（例えば信号出力コネクタ５１）を備え、前記駆動回路基板が、前記制御信号を入力するための入力端子を具備する信号入力コネクタ（例えば信号入力コネクタ８１）と、前記電源回路によって生成された電源を入力するための入力端子を具備する電源入力コネクタ（例えば電源入力コネクタ８２）とを備える制御装置（例えばロボットコントローラ１）であって、前記電源回路基板が、電源を出力するための電源出力部（例えば直流電圧出力コネクタ１３）を備え、前記制御回路基板が、前記電源回路によって生成された電源を入力される電源入力部（例えば直流電圧入力コネクタ５４）と、前記電源を出力するための出力端子を具備する電源出力コネクタ（例えば電源出力コネクタ５２）とを備え、前記駆動回路基板が、前記信号入力コネクタと前記制御回路基板の前記信号出力コネクタとの接続、及び前記電源入力コネクタと前記制御回路基板の前記電源出力コネクタとの接続により、前記制御回路基板の基板面上から立ち上がる姿勢で前記制御回路基板に保持されることを特徴とするものである。

　第１態様においては、駆動回路基板を、電源回路基板と制御回路基板とに架設することなく、電源回路基板と制御回路基板とのうち、制御回路基板だけに保持させる。このような保持により、第１態様によれば、制御回路基板と電源回路基板とを高精度に相対位置合わせすることなく、駆動回路基板を適切に設置することができる。

〔第２態様〕
　第２態様は、第１態様の構成を備え、且つ、前記電源出力部と前記電源入力部とが、ケーブル（例えばコネクタ付き電源ケーブル９３）で接続されることを特徴とするものである。

　第２態様によれば、電源回路基板と制御回路基板との相対位置合わせを高精度に行うことなく、電源回路基板の電源回路によって生成された電源を、制御回路基板に供給することができる。

〔第３態様〕
　第３態様は、第２態様の構成を備え、且つ、ＣＰＵ（例えばＣＰＵ１０１）を具備する上位制御基板（例えば上位制御基板１００）を、前記制御回路基板とは別に備えることを特徴とするものである。

　第３態様によれば、制御回路基板にＣＰＵを配置する場合に比べて、ＣＰＵ搭載電子基板の平面積を小さくして、低コスト化を図ることができる。また、ＣＰＵに接続される周辺回路に設計変更が生じた場合でも、上記制御基板に接続する基板を、設計変更後の周辺回路を具備する基板に変更することで、高価な上位制御基板を共通使用することができる。

〔第４態様〕
　第４態様は、第３態様の構成と、前記上位制御基板、前記電源回路基板、及び前記制御回路基板を収容する筐体とを備え、前記駆動回路基板が、放熱器（例えばヒートシンク８４）を備え、前記筐体の所定方向（例えば前後方向）における一方側の壁（例えば前面パネル３）が、外気を吸気する吸気口を備え、前記筐体の所定方向における他方側の壁（例えば背面パネル４ａ）が、筐体内の空気を排気する排気口（例えば排気口４ａ１）を備え、前記駆動回路基板が、前記放熱器の放熱板（例えば放熱板８４ａ）を前記所定方向と平行な方向に延在させる姿勢で、前記制御回路基板に保持されることを特徴とするものである。

　第４態様によれば、筐体の吸気口から筐体内に吸気した空気を、放熱器の放熱板に接触させながら放熱板の延在方向に沿ってスムーズに移動させた後、筐体の排気口からスムーズに排気することで、駆動回路基板を効率良く冷却することができる。

　　１：ロボットコントローラ（制御装置）、　　２：底板、　　３：前面パネル（所定方向における一方側の壁）、　　４ａ：背面パネル（所定方向における他方側の壁）、　　４ａ１：排気口、　　１０：電源回路基板、　　１３：直流電圧出力コネクタ（電源出力部）、　　５０：制御回路基板、　　５１：信号出力コネクタ、５２：電源出力コネクタ、　　５４：直流電圧入力コネクタ（電源入力部）、　　８０：駆動回路基板、　　８１：信号入力コネクタ、　　８２：電源入力コネクタ、　　８３：駆動電源出力コネクタ、　　８４：ヒートシンク（放熱器）、　　８４ａ：放熱板、　　９３：コネクタ付き電源ケーブル、　　１００：上位制御基板、　　１０１：ＣＰＵ

Claims

　モータを駆動するための駆動回路を具備する駆動回路基板と、前記駆動回路基板に送信する制御信号を生成する制御回路を具備する制御回路基板と、前記モータに供給されるモータ駆動電源の元となる電源を生成して前記駆動回路基板に供給する電源回路を具備する電源回路基板とを備え、
　前記制御回路基板が、前記制御信号を出力するための出力端子を具備する信号出力コネクタを備え、
　前記駆動回路基板が、前記制御信号を入力するための入力端子を具備する信号入力コネクタと、前記電源回路によって生成された電源を入力するための入力端子を具備する電源入力コネクタとを備える制御装置であって、
　前記電源回路基板が、電源を出力するための電源出力部を備え、
　前記制御回路基板が、前記電源回路によって生成された電源を入力される電源入力部と、前記電源を出力するための出力端子を具備する電源出力コネクタとを備え、
　前記駆動回路基板が、前記信号入力コネクタと前記制御回路基板の前記信号出力コネクタとの接続、及び前記電源入力コネクタと前記制御回路基板の前記電源出力コネクタとの接続により、前記制御回路基板の基板面上から立ち上がる姿勢で前記制御回路基板に保持される
　ことを特徴とする制御装置。
　前記電源出力部と前記電源入力部とが、ケーブルで接続される
　ことを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
　ＣＰＵを具備する上位制御基板を、前記制御回路基板とは別に備えることを特徴とする請求項２に記載の制御装置。
　前記上位制御基板、前記電源回路基板、及び前記制御回路基板を収容する筐体を備え、
　前記駆動回路基板が、放熱器を備え、
　前記筐体の所定方向における一方側の壁が、外気を吸気する吸気口を備え、
　前記筐体の所定方向における他方側の壁が、筐体内の空気を排気する排気口を備え、
　前記駆動回路基板が、前記放熱器の放熱板を前記所定方向と平行な方向に延在させる姿勢で、前記制御回路基板に保持される
　ことを特徴とする請求項３に記載の制御装置。