(57)【要約】超小型で、少なくとも約２０ワット／立方センチメートル（Ｗ／ｃｍ3）の電力密度を有するモータ用コントローラが特徴である。該コントローラは、モータの巻線に通電する電力回路と、一つ又は複数のセンサに応答して上記通電を制御する信号回路とに対して共通接地を利用する。該接地は、ガルヴァニックアイソレーションを使用することなく安定電位に保たれる。電力・信号回路、これらの構成要素、及びコネクタは、これらのインダクタンスを最小にするように寸法付けられて配置される。熱は、例えば、熱伝導性及び電気絶縁性材料（例えば飲用のエポキシ）等によりコントローラの外部へと放散される。コントローラは、複数の巻線に対する単流センサ、好ましくは、コントローラ内の単一熱センサを使用する。コントローラ本体は、単独のプラグコネクタとして機能することもできる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
出力要素及び少なくとも一つのステータ巻線とを有するモータ用のコントローラであって、
モータの少なくとも一つの相巻線における電流を制御する電力回路と、
電力回路を制御する信号回路と、
前記電力回路及び信号回路に共通の電気接地と、
前記電気接地、電力回路及び信号回路の間の電気コネクタとを備え、
前記電力回路、信号回路、電気接地及び電気コネクタは、超小型であり、コントローラの動作中、前記電気接地全体にわたって実質的に同じ電位を作り出すコントローラ。
【請求項２】
前記コントローラのコンパクト性は、少なくとも約２０ワット／立方センチメートルの伝送電力密度によって特徴付けられる請求項１のコントローラ。
【請求項３】
前記電気コネクタは、非常に低いインダクタンスによって特徴付けられる請求項１のコントローラ。
【請求項４】
外部コネクタを更に備え、該外部コネクタはコモンモードチョークを含む請求項１のコントローラ。
【請求項５】
前記電力回路の電流を観測するセンサを更に備え、前記電気コネクタはまた該センサを電力回路に接続する請求項１のコントローラ。
【請求項６】
前記電気コネクタは、アイソレータを全く有さない連続電気接続部を与える請求項１又は５のコントローラ。
【請求項７】
前記接地は、非常に低いインダクタンスを有する導電体の平面である請求項１のコントローラ。
【請求項８】
ＥＭＩを管理する遮蔽を更に備えた請求項１のコントローラ。
【請求項９】
熱伝導性及び電気絶縁性の鋳造体を更に備え、該鋳造体は、コントローラを少なくとも部分的に収容して、コントローラ内に発生した熱をその外側面へと伝える伝導熱路を与える請求項１のコントローラ。
【請求項１０】
前記鋳造体は、コントローラ内の任意の地点からコントローラの外側面への熱伝導路が所定値未満であるように構成され、熱放散のための内部熱伝達が主に伝導性であり、かつコントローラ内に実質的に等温の温度勾配を作り出すのに十分であるようにされる請求項９のコントローラ。
【請求項１１】
温度センサを更に備え、該センサは、コントローラ内に配置された単一の温度センサを含む請求項１０のコントローラ。
【請求項１２】
前記鋳造体を構成する材料はエポキシである請求項９のコントローラ。
【請求項１３】
前記鋳造体は、コントローラへの流体流を阻止するようにコントローラを封止する請求項９〜１２のいずれか一のコントローラ。
【請求項１４】
前記鋳造体は、前記電力回路及び信号回路のホットスポット構成要素と熱伝導直接接触する請求項９のコントローラ。
【請求項１５】
前記鋳造体に対する前記所定値は、約１〜３ｃｍ以下又は約２ｃｍ以下であり、鋳造体の熱伝導率は約１Ｗ／ｍ-Ｋを超える請求項１０〜１２のいずれか一のコントローラ。
【請求項１６】
前記鋳造体の外側に、鋳造体と熱伝達関係のヒートシンクを更に備えた請求項９のコントローラ。
【請求項１７】
前記ヒートシンクは前記モータのハウジングである請求項１６のコントローラ。
【請求項１８】
前記鋳造体は、鋳造体から周囲環境への伝熱を助長するため、前記ヒートシンクと接触していない外側面に溝を有する請求項１６のコントローラ。
【請求項１９】
前記溝は、コントローラの外側の導体を保持するように構成される請求項１８のコントローラ。
【請求項２０】
前記溝は、該溝に受け入れた前記導体と電気接続するように適合された、コントローラの前記電気コネクタの一つに対する電気接点を収容する請求項１９のコントローラ。
【請求項２１】
前記電力回路は、ＰＣ基板、該ＰＣ基板上の外周に取り付けられた複数のパワートランジスタと、該複数のパワートランジスタに対して配置されるＤＣ−ＤＣ変圧器とを含む請求項９のコントローラ。
【請求項２２】
前記パワートランジスタは、外側を向きかつ前記鋳造体と伝導熱伝達関係にある熱伝導背部を有するＦＥＴである請求項２１のコントローラ。
【請求項２３】
前記電力回路の電流を観測するセンサを更に備え、前記巻線は複数の巻線であり、該センサは、該各巻線を流れる電流を測定する単流センサである請求項１のコントローラ。
【請求項２４】
前記単流センサは、高精度抵抗器にわたって接続される高速動作アンプを含む請求項２３のコントローラ。
【請求項２５】
前記電気コネクタは、前記抵抗器の一つのリードを前記接地に接続する請求項２３のコントローラ。
【請求項２６】
位置センサを更に備え、該位置センサはエンコーダを含み、該エンコーダは、モータの出力の位置を検出し、また、コントローラ上の同じ箇所に配置されてコントローラと一体である請求項１又は９のコントローラ。
【請求項２７】
前記電気コネクタは、前記位置検出情報を与えるため、前記エンコーダを前記信号回路に接続する請求項２６のコントローラ。
【請求項２８】
前記エンコーダコネクタは、約１０ｍｍ未満の長さを有する請求項２７のコントローラ。
【請求項２９】
前記エンコーダは光学エンコーダである請求項２７又は２８のコントローラ。
【請求項３０】
前記エンコーダは、前記コントローラ内に閉じ込められ、コントローラの嵩に対する追加の体積を全くもたらさない請求項２６のコントローラ。
【請求項３１】
前記コントローラの外側の第２の電気コネクタと、前記コントローラの少なくとも一つの追加の一つとを更に備え、該第２の電気コネクタは、これらコントローラとこれらコントローラに関連したモータとのネットワークを形成する請求項１のコントローラ。
【請求項３２】
前記第２の電気コネクタは、モータのモータ巻線の通電を調整すると共に、ネットワーク化されたモータ及びコントローラ間の電力の分配を制御するため、前記各コントローラの前記信号回路を相互に接続する請求項３０のコントローラ。
【請求項３３】
前記モータは、外力の作用を受けた場合、前記ネットワーク全体にわたって分配され得る電力の発電機として機能する請求項３１のコントローラ。
【請求項３４】
モータのステータ相巻線に通電する駆動回路とこの通電のための制御回路とを有するモータコントローラであって、
前記コントローラの実質的にすべてを封止する絶縁材からなる鋳造体を備え、該鋳造体は、該鋳造体が、熱源から鋳造体の外部への伝導を用いて前記回路の動作によって生じた熱を放散するように、十分に熱伝導性があるように構成されかつ寸法付けされるモータコントローラ。
【請求項３５】
前記コントローラのコンパクト性は、少なくとも約２０ワット／立方センチメートルの伝送電力密度によって特徴付けられる請求項３３のコントローラ。
【請求項３６】
ロータの回転位置を決定するため、前記マトリックス内に配置され、前記制御回路に電気的に接続され、かつ、前記サーボモータに近接して配置される位置センサを更に備え、該位置センサ及び該コントローラは、一体型モータ制御ユニットを形成する請求項３３のモータコントローラ。
【請求項３７】
前記コントローラ及びこれに関連したモータは、少なくとも一つの他の前記コントローラ及びこれに関連したモータに電気的に接続されて、モータ−コントローラのネットワークを形成する請求項３３のモータコントローラ。
【請求項３８】
複数の巻線を有するステータとロータを有する電気モータのためのコントローラにして、遠隔電源に接続されるコントローラであって、
ロータの位置を決定するセンサと、
コントローラ内の温度を決定するセンサと、
各ステータ巻線を流れる電流を決定するセンサと、
複数の相軸においてステータ巻線に通電する駆動電子機器回路と、
前記モータを作動させるために前記駆動電子機器回路を制御する、前記位置センサ及び前記電流センサに応答する制御電子機器回路と、
前記位置、温度及び電流センサ及び前記駆動及び制御電子機器回路用でかつ該コントローラと前記モータとの間の、該コントローラ内の電気接続部と、
前記駆動通信電子機器回路及び前記位置、温度及び電流センサをサポートしかつ少なくとも部分的に閉じ込める電気絶縁構造体にして、熱伝導性であり、少なくとも前記駆動電子機器回路及び前記通信電子機器回路に対して、これら電子機器回路が作り出す熱のための主要路となるために配置される電気絶縁構造体とを備え、
前記サポート構造体は、コントローラの動作が作り出す熱が効率的に放散される程十分に小さく、コントローラは全体として十分に小さく、前記電気接続部が作り出すリアクタンス、及び、コントローラを通ってモータ発電機へと及びモータ発電機から流れる固有電力に対して測定される、コントローラにおける関連したパワーロスが、異なる軸における電力潮流が正及び負となる程十分に低く、
該コントローラのコンパクト性は、少なくとも約２０ワット／立方センチメートルの伝送電力密度によって特徴付けられるコントローラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、電動モータ（電動機）用のコントローラ及びこれらの使用トポロジに関する。更に詳しくは、本発明は、該コントローラによって制御される電流を伝える少なくとも一つのモータ巻線を有する関連したモータに使用するための超小型高性能コントローラ、及び、このようなモータ−コントローラのネットワークに関する。
【背景技術】
【０００２】
毎日、現代の消費者及び労働者は、電流及び電圧をトルク及び運動に転換する多数の電動モータに支援されている。これらのモータは、車内の座席、窓、ミラー、及びハンドル操作さえも調整し、最新ロボットペットに生命をもたらし、ブレンダーに電力を供給し、冷蔵庫及び空調のコンプレッサを駆動し、我々の衣類及び皿を洗浄し、缶詰商品を開け、木材を穿孔し、のこぎりでひき、更に研ぐ等々する。工場では、電動モータは、ＣＮＣフライス盤、旋盤、ロボットアーム、コンベヤベルト、フォークリフト、真空システム、油（水）圧ポンプ、及びエアコンプレッサを駆動する。我々の太陽系を探査する半自律的ロボットでさえ、電動モータを使用する。高性能モータの採用、特に分散モータのネットワークの採用が増える傾向にある。
【０００３】
組込みプロセッサ、極めて小さい電子センサ及び高濃度電力貯蔵等の機械知能をサポートする、集積回路の異常に稠密なスケール及び他の指数関数的に向上する技術は、電気アクチュエータ、特にそれらの電子コントローラが、同様の急激な改良トレンドに続くという予測を設定した。しかし、電力密度（Ｗ／ｃｍ3）等の電動モータコントローラの改善は、悲惨なほどのろい。
【０００４】
これは、特に、緻密な回路を有する傾向にある高性能モータドライブ（駆動部）の場合であり、該ドライブは、ノイズがあるパワー（電力）構成要素（部品）／回路とノイズに高感度な構成要素信号及び回路信号の両方の混合を必要とする。当業者は、これを回避するとまではいかないが、はっきりと最小限化するため、高感度構成要素に近接範囲にノイズがある構成要素を置くことで、高感度構成要素に対する電磁障害（ＥＭＩ）が増長すると教えられる。その結果、当業者は、ノイジー構成要素と高感度構成要素とを相互に離隔させておく。しかしながら、当業者はまた、ノイジー要素と高感度要素との間隔をあけると、共通接地にわたるインピーダンスが高まることも知っている。一旦、接地の保全性（完全性）がインピーダンスに対して失われると、ノイズは、影響されやすいアナログ−デジタル論理信号を容易に破損する。
【０００５】
このジレンマと向き合い、当業者は、ガルヴァニックなアイソレーション（絶縁）（例えば、絶縁変圧器、アクティブ光アイソレータ、及びこれらをサポートする回路）を、ノイジー構成要素と高感度構成要素を分離して、接地インピーダンス問題を完全に回避するために気前よく適用した。このアイソレーションはまた、十分な対流冷却のために無制限の空気流を可能にするという利点を有する。しかしながら、このアイソレーションは、寸法の拡大、所要電力の増加及び複雑さの増加という代償を払う。
【０００６】
サイズの拡張とは正反対に、余裕のないスペースにより多数のモータ及びコントローラを収容するより小さいパッケージ全体サイズが望まれている。より小さいパッケージでより高性能なコントローラに対する爆発的な需要は、衰えることなく高まっている。しかしながら、空気流（例えば冷却用空気流）を過度に制限すること（これは、ついにはコントローラ障害に至る内部ホットスポットを作り出し得る）を実質的に伴わずに、サイズを縮小することは難しい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って、超小型のモータ用コントローラを提供することが望まれるであろう。該コントローラは、モータに近接して取り付けられ得、また、パワーレベル回路からのＥＭＩの影響に対し比較的感度が悪い。モータの巻線に通電するノイズがある電力回路、並びに、一つ又は複数のセンサからの信号に応答してこの通電を制御する通信回路に対する共通接地を具現するそのようなコントローラを提供することが特に望まれる。このようなコントローラはまた、望ましくは、同等の電力を扱う先行技術コントローラと比べて小型である。そのような先行技術コントローラと比べてより少ない構成要素を有するそのようなコントローラを提供することも望まれる。そのようなコントローラを具現化する装置等、並びにこれに関連した方法を提供することも望まれるであろう。そのようなコントローラは、好ましくは、構成が簡易で先行技術コントローラよりも廉価である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、出力要素及び少なくとも一つのステータ巻線を有するモータ用のコントローラを備えることを特徴とする。このようなコントローラは、モータの少なくとも一つの相巻線の電流を制御する電力回路と、電力回路を制御する信号回路と、電力回路及び信号回路に共通の電気接地とを含む。このようなコントローラはまた、前記接地及び電力・信号回路間の電気コネクタを含む。更に、このような電力・信号回路、接地及びコネクタは超小型であり、コントローラの動作中、接地全体にわたって実質的に同じ電位を作り出す。
【０００９】
本発明に従うコントローラは、先行技術コントローラと比べて多くの点で有利である。このようなコントローラはコンパクトであり、すなわち、先行技術コントローラに比べて、特に同等の電力を扱う先行技術コントローラと比較した場合、より小さい。このようなコントローラはまた、同等の先行技術コントローラに比べて一般に軽量となり、これは、モータ及びコントローラがロボットリンクのアクチュエータ端部に設置される場合、特に有益である。
【００１０】
本発明のこのようなコントローラは、先行技術コントローラに比べより少ない構成要素（部品）を実現する。特に、一般に嵩張り高コストな構成要素（例えば、アイソレータ、複数軸に対する巻線、ＥＭＩ制御スタック及びファン）が少なくなる。本発明のコントローラは、好ましくは、コントローラ内で生じている熱をコントローラの外部へと伝導する。そのようなコントローラは、ファン並びに対流型冷却システムの機能に関連したコスト、嵩（バルク）及び電力消費を伴うことなく、優れた熱制御又は熱管理を提供することができる。コントローラのこのような熱制御特性は、コントローラ内に実質的に等温の温度プロファイル（温度分布）を有利にもたらす。
【００１１】
このようなコントローラは、これが制御しているモータに近接して配置され得るが、電力（出力）レベル回路が発生させ得るノイズに対し比較的感度が悪いという有益な効果を有する。このようなコントローラはまた、モータに対する高精度位置決定（測定）を提供することができ、これは、好ましくは、コントローラの嵩を増加することなく、成し遂げられ得る。
【００１２】
このようなコントローラは、モータネットワークトポロジにおいて使用され得、又は、該トポロジでの使用に容易に適用され得、更に、電力シェアリング及び発電に対処するために使用又は容易に適用され得る。例えば、本発明のコントローラは、電力が、一つのモータ／発電機によって発生させられるように使用され得、この電力がネットワークの別のモータによって利用され得る。これは、次いで、他の有益な効果（例えば、巻線サイズの縮小）をもたらし得る。このようなコントローラは、好ましくは、例えばコントローラが液体又は腐食性流体の環境中に入れられるような環境の影響に対し耐性を有するように構成され得る。
【００１３】
本発明の実施形態において、このようなコントローラは、熱伝導性及び電気絶縁性の鋳造体（鋳造物）を更に含む。該鋳造体は、伝導熱路を与えるように、コントローラ（例えば、コントローラの機能）を少なくとも部分的に収容する。上記伝導熱路は、コントローラ内で生じた熱をその外側面へと伝達する。特定の実施形態において、コントローラ内の任意の地点からコントローラの外側面までの伝導（熱）路は、熱放散のための内部熱伝達が主として伝導性で、かつコントローラ内に実質的に等温の温度勾配を作り出すのに十分であるように、所定値未満である。
【００１４】
より具体的な実施形態において、例えばパワートランジスタ等のある機能は、該機能とコントローラの外側面との間に鋳造体の薄層が存在するように、コントローラ外側面付近に配置される。より詳しい実施形態において、上記所定値は、１〜３ｃｍ以下であり、より詳しくは約２ｃｍ以下である。上記薄層は、約１〜２ｍｍ、より詳しくは約１ｍｍの厚さを有するように設定される。更なる実施形態において、センサは、コントローラ内に配置された単一の温度センサを含む。鋳造体を構成する材料はエポキシを含むが、これに限定されない。
【００１５】
更なる実施形態において、少なくとも約２０ワット／立方センチメートルの伝送電力（出力）密度がこのようなコントローラを特徴付け、また、コントローラ外部コネクタは、非常に低いインダクタンスによって特徴付けられる。更なる実施形態において、コントローラのこのようなコネクタは、外側シリアル通信用のコモンモードチョークを含む。コネクタがアイソレータの無い連続電気接続部を与えることが認識されるべきである。
【００１６】
更なる実施形態において、コントローラ接地は、非常に低いインダクタンスを有する導電体の平面である。また、コントローラは、ＥＭＩを管理するために遮蔽を更に含む。
【００１７】
本発明のコントローラの電力回路は、ＰＣ基板と、ＰＣ基板の外周に取り付けられた複数のパワートランジスタと、複数のパワートランジスタに対して配置された、より詳しくは、パワートランジスタに近接して又はパワートランジスタに接触して位置付けられたＤＣ−ＤＣ変圧器とを含む。特定の実施形態において、パワートランジスタは、外側を向き、かつ前記鋳造体と伝導性熱伝達関係にある熱伝導背部を有するＦＥＴである。
【００１８】
更なる実施形態において、モータ巻線は複数の巻線であり、前記センサは、各該巻線に流れる電流を測定する単流センサを含む。単流センサは、高速動作アンプを含み得、該アンプは、高精度抵抗器にわたって接続され、電気コネクタは、該抵抗器の一つのリードを接地に接続する。
【００１９】
センサは、光学エンコーダ等のエンコーダを含み得る。該エンコーダは、モータの出力の位置を検出し、また、コントローラ上の同一箇所に設置され、かつコントローラと一体とされる。また、エンコーダを信号回路（例えばデジタル信号プロセッサすなわちＤＳＰ）に接続する導線（導体）は、位置検出情報を与える。より詳しい実施形態において、このようなエンコーダ導線は、約１０ｍｍ未満の長さを有する。慣用の使用において、高精度エンコーダは、通常、帯域幅制限のためにモータＲＰＭを制限する。しかしながら、エンコーダと信号回路との間の短いリード又は導線等の本発明のコントローラ構成は、極度の低速においてでさえ、有益な速度情報の計算を可能にする。
【００２０】
更なる実施形態において、二以上のコントローラは、該コントローラ及びこれらの関連したモータのネットワークを形成するために、動作可能に互いに結合される。特定の実施形態において、このようなコントローラは電気コネクタを更に含み、該電気コネクタはコントローラの外部にあり、ここで、この外部電気コネクタは、コントローラ及び関連したモータのネットワークを形成するために、動作可能に互いに結合される。より詳しい実施形態において、第２の電気コネクタは、各コントローラの通信回路と相互接続し、モータのモータ巻線の通電を調整すると共に、ネットワーク化したモータ及びコントローラ間の電力の分配を制御する。より詳しい実施形態において、モータは、外力／トルクの作用を受けた場合、ネットワーク全体にわたって分配され得る電力の発電機として機能する。
【００２１】
上記から理解され得るように、本発明は超小型モータコントローラを提供し、該コントローラは、「フルサイズ、マルチ−アンプ」の電力定格（「ミリアンペア」レベル以上であるが、数百アンペアを消費する重工業モータのレベル以下である）を有するモータと共に使用するための一体型高精度光学位置センサを含み得る。模範的例示実施形態において、全体的にコイル形状で４４−ｇｍ重量のコントローラパッケージは、わずか１７ｃｍ3の大きさである。この極めて小さいサイズの形状因子は、同様の精度のほとんどの光学エンコーダ及びリゾルバよりも小型であるが、そのモータ制御性能は、特にトルクの制御及びトルクリプルの最小化において、ほとんどのフルサイズマルチ−アンプコントローラ（１０００倍大きいそれらを有する）と競合する。低プロファイル（薄型）コネクタシステムは、１７ｃｍ3の全パッケージング容積内に利用可能な４４ピンと共に統合され得る。
【００２２】
模範的な実施形態において、本発明は、少なくとも約２０ワット／立方センチメートル（Ｗ／ｃｍ3）の電力密度を有する超小型のモータ用コントローラを特徴として備えている。このようなコントローラは、モータの巻線に通電するノイジーな電力回路、並びに、一つ又は複数のモータセンサからの信号に応答してこの通電を制御する信号回路のための共通接地を具現化する。これらの回路、該回路の構成要素、及びコネクタは、それらのインダクタンスを最小にするように寸法付けられて配置される。また、接地は、ガルヴァニックアイソレーションを使用することなく安定電位に保たれる。熱は、伝導により、コントローラ内の熱発生機能からコントローラ外部へと伝達される。この伝導は、好ましくは、熱伝導性及び電気絶縁性の材料（例えば、飲用のエポキシ）からなる鋳造体によって与えられる。溝（縦溝）が鋳造体の外側面に形成され（例えば、コントローラの側部に対応する鋳造体の外側面）、該溝は、熱エネルギーを外部環境（例えば、大気、流体媒体）へと移すヒートシンクとは熱的に連通しない。このような溝はまた、外部線又はコネクタピンに対するコネクタとしての役割を果たす。コントローラは、複数の巻線に対する単流センサ、好ましくは、コントローラ内の単一熱センサを使用する。コントローラは、電力効率を高めるためにネットワーク化され、コントローラ本体は、単独のプラグコネクタとして機能することができる。
【００２３】
本発明の特に有益な用途は、小型ブラシレスサーボモータ（各モータがロボットハンド、アーム又は移動運動の関連したジョイントに電力を供給する）の一つ又は該モータのネットワークを制御することである。
【００２４】
本発明の他の側面及び実施形態が以下に記述されるが、上記の記述は本発明の範囲を限定するものと解釈されるべきではない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
電動モータの静止部品と可動部品との間には多くの実行可能な形態バリエーションが存在する。また、相対運動は、直線、回転、円筒（円柱）、球形、又は、１自由度、２自由度もしくは多自由度を構成する任意の組合せであり得る。本発明は、サポートされる形態又は動作のタイプには限定されない。
【００２６】
サーボモータ、ステッピングモータ、マイクロステッパ、コアレスモータ、及びインダクションモータ等の多くのモータ構造もある。あるものはブラシ付きで、あるものはブラシレスであり、あるものは永久磁石を有し、あるものはそれを有しない。本発明は、位置フィードバックが必要かどうかを問わず、少なくとも一つのモータ巻線を通じて電流がサポートされるどのようなモータタイプにも適用される。
【００２７】
説明を明確にするため、本発明の開示は、一般的な永久磁石ブラシレスサーボモータ（静止コイル（ステータ）の外部セットが、永久磁石を持つ円注（円筒）形状の回転（ロータ）軸の円筒状外部に配置される。）に関連した一般に認められた用語を用いる。
【００２８】
多くの現代の出願（もしくは用途）において、及び本明細書中で用いるように、モータと発電機との差異が薄れており、電気及び機械間で電力潮流がしばしば逆転するにもかかわらず、用語「モータ」が本発明の記述において用いられる。
【００２９】
説明を明確にするため、本開示は、用語「モータ本体」は、巻線、磁石、軸、フレーム及びベアリングを含む組立体の部分のことだけをいう。該用語モータ本体は、この開示において、位置センサ及びコントローラと区別される。
【００３０】
説明を明確にするため、モータ駆動の文脈における用語「機械」の意味は、自動車、ロボットアーム、大型工業（産業）用機械、及び小さいおもちゃの間にさえも及び得る。本明細書中の記述は、大型工業用サーボモータ駆動機械における本発明の使用を参照又は例示するが、本発明の範囲は、それには限定されない。
【００３１】
用語「位置センサ」は、位置、及び／又は、位置の何らかの時間ベースの導関数（微分）、例えば速度及び／又は加速度を測定するか又は見積もるセンサを意味又は記述することが理解される。
【００３２】
動作制御産業は、用語「コントローラ」に二つの意味を当てはめる。第１の定義において、「コントローラ」は、単一モータの位置、速度、加速度、及び／又はトルクを制御するため、機械的整流（コミュテーション）又はますます高度化される電子的整流に基づいて、低レベル巻線電圧及び電流を調整する。このような低レベルモータコントローラに対する他の用語には、「電流増幅器」及び「サーボ駆動」が含まれる。
【００３３】
第２の定義において、システムにおけるすべてのモータと通信する高レベルコントローラは、調和された機械動作を実現するため、複数モータの全セットの位置、速度、加速度、及び／又はトルクを全体的に調整する。区別は、電流増幅器に配置されたプロセッサが、高レベルコントローラのすべての機能を実行するのに十分強力な高帯域通信及び計算機能の両方を有する場合、幾分あいまいになる。本発明の主要な価値はその低レベル機能にあるが、それは同時に、調和された機械動作を作り出すためにネットワークにおける複数モータのセットを整合することもできる。更に、高レベル計算負担が、いくつかの低レベル電流増幅器によって分担され得、これは、高レベルコントローラの仕事が軸の数により増えるので、十分にスケール変更する。
【００３４】
次に、図１〜１７を参照すれば、本発明に従う、ロボット工学用途等に適した超小型モータコントローラ１００が示される。超小型モータコントローラ１００は、伝導冷却技術を具現するように構成及び配置される。特に、そのような超小型モータコントローラ１００は、高熱伝導率エポキシ鋳造体１０１を含み、該部品１０１は、本明細書中で、熱伝導及び電気絶縁の両方を与える「マトリックス」又は「容器（encasement）」とも呼ばれる。塵埃及び液体から構成要素を保護するため、完全な封止（カプセル化）が記述されるが、特定の用途が完全な封止とはいえないものが使用されることを許容する場合も企図され、従って、これも本発明の範囲内である。
【００３５】
別の実施形態において、電気的絶縁材と組み合わされたエンクロージャ（包囲体）が使用され、ここで、該エンクロージャは、金属製又は優れた熱伝導特性を有する他の材料製である。電気絶縁体は、エンクロージャ内に配置されてエンクロージャと接触する。最も実際的なエポキシ（毒性の強い化学物質成分を有さないもの）は、アルミニウムの１％未満の熱伝導を有する。
【００３６】
例示実施形態において、超小型モータコントローラ１００の鋳造体１０１は、高熱伝導率エポキシ（３５x１０-04Cal/sec-cm-C）であり、これは、構成要素を物理的に保護しながら優れた電気絶縁（２００x１０14Ohm/cm）を保つ。モータに対面する（保護された）光学レンズ１０２を除き、該モジュールは、液漏れ、及び潜在的な伝導性もしくは断熱性の塵埃から実質的に、シール（封止）される。
【００３７】
簡易な電力変換装置は、時にはエポキシに封止（カプセル化）されるのに対し、高性能コントローラ（〜＞１００W）は一般に空冷される。その理由は、数センチメートル及びそれ以上のスケールにおいて、最良のエポキシでさえその断熱特性が耐えられなくなるからである。本発明の有利な特徴は、超小型サイズにおいて、特有の熱伝導距離が、既知の熱伝導性エポキシが容認できる熱伝導性能を示す点まで縮小することである。このように、伝導は、コントローラが取り付けられる金属構成要素（一般にモータハウジング、これは、別個のヒートシンクとしての役割を果たす）における隣接する一般に平坦な面によって、該コントローラ等の装置内の熱源が作り出す熱をはねつけるのに役立つ。例示の模範的実施形態に関して更に詳しく後述するように、本発明はまた、エポキシマトリックスを通って周囲空気への熱伝導の放散（消散）を高めるために側面に形成された溝１０４等の特徴を含む。本発明のコントローラ１００は、おおよそ３Ａ ＲＭＳ連続出力、及び、ピーク動作における数回の該出力が可能である。
【００３８】
より一般的に言えば、世間一般の通念では、マルチワットモータコントローラに対して対流空気冷却を用いることにしていた。これを効果的に行うため、及び、熱に弱い構成要素を守るため、一般通念は、構成要素を離し、また、封止を回避するか、又は、コントローラ等内の熱源において対流冷却を作り出す空気流を妨げることを別の方法で回避することにしていた。これらの設計を考慮すれば、大型コントローラに至る。最終的に、本発明の超小型サイズのコントローラ１００は機能的に特定されるが（必要な性能に対し必要な程度の冷却を提供する）、マルチワットロボット等の用途のための本発明に従うコントローラは、約２０ｃｍ3未満の体積を有する。
【００３９】
どのようなコントローラの必要な容量（及び必要なサイズ）も、最終的に、（その定格温度に比べて）その最も熱い構成要素の予想される温度によって制限される。慣用の大型空冷式コントローラにおいて、空気に対して比較的長い距離だけ熱的に分離される多くのホットスポットが存在する。すべてのホットスポットを監視することは、しばしば非現実的であるため、また、周囲温度等の多くの要因が空気冷却の程度に影響を及ぼすため、コントローラは、特定用途では、一般に、伝統的に過大サイズにされなければならなかった。本発明のコントローラ１００全体にわたって常に最高温度を監視する機能は、最も小型の実現可能なコントローラが、特定用途においてより安全に使用可能であることを意味する。
【００４０】
より詳しくは、本発明の超小型コントローラ１００の比較的優れた熱伝導率は、該コントローラ内に温度差を作り出し、該温度差によって特徴付けられる。この温度は、同等の電力定格の慣用サイズのコントローラにおけるよりも小さくなる。その結果、より少ない温度センサにより、及び、たった一つの温度センサによってでさえ、コントローラにおいて最高温度を測定することがより容易となる。好ましい実施形態において、本発明は、コントローラ内部のたった一つの温度センサを使用する（モータ巻線に組み込まれた外部サーミスタに加えて）。
【００４１】
図１に例示されるように、本発明のコントローラの電子機器回路は、頑健な気密／液密高熱伝導率保護エポキシ鋳造体１０１に実質的に密閉される。そのようなエポキシ鋳造体を作り出して適用するために用いる方法は、エポキシ封止電子モジュールの技術において周知である。レンズ１０２は、インデックスパルスにより、高分解能（４０，９６０カウント／回転）光学インクリメンタルエンコーダのレーザ放射及び読取り光学部品を保護する。レンズ１０２は、保護エポキシ１０８によって囲まれ、これは、取扱い中及び据付け中のひっかきに抵抗するため、レンズ面１１０上方に０．１ｍｍまで高くなる。
【００４２】
同心円筒段部１１４及び垂直平面は、コントローラ１００の外側鋳造体の一面とモータ裏板及び／又は他のヒートシンクとを良好に熱的に接触させつつ、該モジュールを正確に取り付けるために用いられる。位置合わせに用いないいかなる面も、コントローラの内部からモジュール１００を通じて、対流冷却が生じ得る外側面へと伝導される熱の放散を高めるように表面構造が加工される。ピンホール１１２は、インデックスパルスに対する較正位置を喪失することなく、取り外し及び再び戻すことができるように、モジュールの角度位置でロックする。図示はしないが、スレッドインサートを平坦なエポキシ表面に埋め込むことは簡易な事項である。スレッドインサートを埋め込む技術は、鋳造電子工学の技術において容易なものである。
【００４３】
各溝１０４は、基板の一方（又は両方）から電気接点１０６を露出させることができる。該接点は、例えば、通常の基板組立工程中に、慣用のめっきスルーホールをある直径の周りに設け、次いで、回路基板をそれらのパネルから解放する通常の工程中、直径群を半分にカットするバイアス（偏り）の該直径群を横切ってルーティング（配線）して、めっき面を露出させることにより形成される。しかしながら、（絶縁層に対する）慣用のやり方とは逆に、すべてのビアを、ビア面と交差する銅リングにより各プリント回路基板層上に定着させる必要がある。好ましい実施形態におけるアンカーの貫入は、少なくとも０．２ｍｍである。
【００４４】
図２Ａ、Ｂを参照すれば、ロボットアームのロボット手首（図２Ａ）における本発明に従う三つのコントローラモジュール１００の実装が例示される。図２Ｂは実装機能を例示する。位置合わせピン１１６及び円筒位置合わせ肩部の係合部１１８は、コントローラを平面内に適正に整列させる。キャップスレッド１２４によって調整された、皿ばねワッシャ１２２からの予荷重によりコントローラ面１２０を十分に固定することは、マイクロ−Ｅブランドのガラスエンコーダスケール１２６（これは、モータ軸に１２８が適用される）とエンコーダレンズ面１３０との間の適正な直角精度及び離隔距離（１．７５ｍｍ）を補償する。
【００４５】
図３、４は、本発明のコントローラが、混成ベア−チップ（ベア−ダイ）システム１３１（一体型レーザ光学エンコーダ１３０、及び、次のサブ構成要素チップ（ダイ）タイプ１３４、すなわち、パワーＭＯＳＦＥＴ及びダイオード、アナログ及びデジタルＩＣ、ミクストシグナルＩＣ、及び、光電子ＩＣを有する）等の別の構造にどのように適用され得るかを提示する。異種の半導体チップ（半導体ダイ）１３４をこのように単一の基板上に組み込むことは、更に小さいサイズ、より優れた熱伝達、及び、更に縮小した構成要素間間隔をもたらす。単一のＡＳＩＣコントローラ設計も、本出願の設計の革新が最適に達成されることを可能にするより稠密な形態をもたらすであろう。
【００４６】
適切なＣＴＥ（熱膨張係数）のために選択したエポキシを用いた上記ベア−チップの例では、ディスクリートで低密度のチップ（ダイ）１３４は、セラミック基板１４０に結合され得る。熱循環によるクラッキングのリスクは、チップのＣＴＥ、エポキシ及び基板をマッチングさせることにより、最小にされ得る。チップの取付け後、チップパッド１３４は、基板１４０に対しワイヤボンディング１３６される。大型パワーＭＯＳＦＥＴＳの取付けも、より優れた熱伝達のため、エポキシの代わりに共晶接合合金を用いることが好ましい点を除き、上記同様の工程である。プロセッサ等の高密度デバイス用のフリップ−チップ取付け方策が推奨される。
【００４７】
通常、最も縦長の電気部品である電力（電源）変換変圧器は、平坦銅トラック１４２によりセラミック基板に巻き付けられ得る。フェライト材は、磁束を効率的に伝導するため、基板の上記巻付け部分の上下に配置され得る。冷却及びコンパクト性（小型さ）以上に、平面磁石１４２は、容易な製造及び高い予測可能特性を提供する。巻線電圧過渡電流が近隣の回路へと容量結合されるリスクを軽減するために注意深い遮蔽技術が使用されることも企図される。
【００４８】
パワー半導体チップ熱抵抗値は、１℃／Ｗより十分に低いものであり得る。しかし、一旦パッケージングされたら、この値は、数１０又は数１００℃／Ｗへと跳ね上がり得る。製造業者のパッケジングなしでは、熱は、該チップから雰囲気中へと直接引き抜かれ得る。熱伝導性高充填エポキシ樹脂を用いてポッティングされたアセンブリは理想的である。チップ（ダイ）と外側パッケージ面１４４との間のミリメートル未満のエポキシが実現され得る。硬化中のエポキシ収縮は問題とはならないであろう。優れたエポキシ調合物が、そのような小さいパッケージにおいて著しく収縮するとは考えられないからである。Ｊ字形リード線１３２は、簡易なソケット−プラグ差込みパッケージの提供を容易にするであろう。
【００４９】
いくつかのモータを使用する機械では、既知のモータ−ルーティング（配線）トポロジは、一般に次のいずれかに分類される。すなわち、１）図５Ａ及び図５Ｂに例示されるホーム−ラン（Home-run）（今日のほとんどの据付けシステム）、又は、２）図６Ａ及び図６Ｂに例示されるネットワークもしく分散システムである。
【００５０】
今日、ほぼすべての機械システム１５０は、図５Ａに示すホーム−ラントポロジを使用する。該トポロジにおいて、モータ１５２は、その電力を、該機械の可動構造から離れて配置されたコントローラキャビネット１５６から受け取り、位置センサ情報をコントローラキャビネット１５６に戻す。コントローラキャビネット１５６は、一般に、モータ駆動軸当たり一つの電流増幅器モジュール１５８を含む。例えば、汎用ロボットアームは、一般に、６駆動自由度軸を有し、そのため、六つの電流増幅器を必要とする。一般に、キャビネットはまた、電源モジュール１６０を収容し、電源モジュール１６０は、モータ巻線と電流増幅器に対するロジック電圧とを両方提供する。
【００５１】
図５Ｂに詳しく示される図５Ａのモータ１５２は、少なくとも一つの巻線を有する典型的な先行技術モータである。モータ１５２は、動作及びトルク１６６を回転軸又はロータ１６４を通じて伝達するモータ本体１６２から成る。三本の電源線１７０、すなわち、位相Ａ電力を送る１７０Ａ、位相Ｂ電力を送る１７０Ｂ及び位相Ｃ電力を送る１７０Ｃは共に、デルタ又はＹ字形トポロジに組み合わされた三つのモータ巻線に電力を供給する（三つの巻線が最も一般的なケースである）。各巻線は、本明細書中、「軸」とも呼ばれれる。好ましい実施形態は、モータ本体内部の該巻線をＹ字形トポロジに接続する。これは、デルタ巻線では、トルク制御の精度を低下させかつトルクリプルを増長する観測も制御もできない電流を該デルタ周囲に許容し得るからである。安全及びＥＭＩ制御（図示せず）のための別個のアース接地（図示せず）は、導電性機械構造と接地編組の任意の接続組合せによって実現される。
【００５２】
ロータ１６４の角度方向の位置検知は、一般に、モータ本体の巻線及び光学インクリメンタルエンコーダ１６８に組み込まれた三つのホール効果センサの形態である。これらのデバイスは、位置情報を信号線１７２及び１７４を通じて伝送する。モータ１５２は、一般的なケースにおける位置フィードバックのために次の信号を用いる。すなわち、１７２Ａはホールパワー、１７２Ｂはホールリターン、１７２Ｃはホール１、１７２Ｄはホール２、１７２Ｅはホール３、１７４ＡはエンコーダＬＥＤパワー、１７４ＢはエンコーダＬＥＤリターン及び接地電位、１７４ＣはＡ＋パルス列、１７４ＤはＡ−パルス列、１７４ＥはＢ＋パルス列、１７４ＦはＢ−パルス列、１７４Ｇはインデックス＋、及び１７４Ｈはインデックス−である。
【００５３】
ブラシレスモータの光学インクリメンタルエンコーダ１６８に最初に電源が投入された場合、これは、方向を含む位置変化を報告することができる。しかしながら、エンコーダが回転してその１回転当たり１度のインデックスパルスを過ぎるまで、エンコーダは、絶対ロータ位置を知らず、電気的整流をサポートすることができない。各モータがそのインデックスパルスを特定するのに十分に回転するまで、５信号線１７２Ａ−１７２Ｅサポートホール効果変換器は、各モータが、電源が投入されて、そのインデックスパルスを特定するのに十分に回転することを可能にする加工していないが即時の６ステップモータ通信情報を供給する。
【００５４】
一旦インデックスパルスが６ステップ制御下に置かれたら、８信号線１７４Ａ−１７４Ｈは、ホール効果センサよりも格段に高い精度を有する光学インクリメンタルエンコーダ信号を伝送するために使用される。すべての光学エンコーダが差分駆動信号（１７４Ｄ、１７４Ｆ、１７４Ｈ）を出力するとは限らないが、モータとコントローラキャビネットとの間の長くて電気的雑音のある伝送距離（これに沿って電源線と信号線とを実質的に分離することがしばしば実際的ではない）のため、これは慣用で賢明なやり方である。モータ位置の測定のための多くの他のアプローチ及びバリエーションが存在し、これは、位置フィードバックを伴わないブラシ整流、バック−ＥＭＦに基づく位置の推定、絶対光学エンコーダ、リゾルバ、ポテンションメータ、及びホールのみのセンサを含む。各々が性能及び信頼性関係を有するが、高信頼性及び高性能の場合、位置フィードバック用の１３線配列（１７２Ａ−Ｅ及び１７４Ａ−Ｈ）が一般に受け入れられるやり方である。
【００５５】
いくつかのモータは、異なる位置感知スキームを用いることにより、１６線（１７０Ａ−１７４Ｈ）より少ないかもしれず、又は、例えば、モータ温度が監視される場合、もしくはブレーキがモータで実行される場合、１６線よりも多いかもしれない。
【００５６】
典型的なロボットアームは、６自由度軸を有し、そのため、５０〜１００線以上有するのが一般的であり、これらの線は、ロボットアーム１５４のベースを出て、導管を通ってその遠隔コントローラキャビネット１５６へと持ち込まれる。これらの線はまた、機械１５０の可動構造内へと持ち込まれ、ここで、激しい屈曲及び摩耗に耐えなければならない。該機械の設計は、これらの線の耐屈曲性に打ち勝つ余分のパワーを有しながら、該線を収容し、管理り、かつ遮蔽しなければならない。
【００５７】
たとえ、複雑で絶えず屈曲するマルチジョイント（多関節）機械を通じての線のルーティング（配線）が深刻な設計及び信頼性問題を引き起こすとしても、圧倒的多数の工業用機械は、このスキームを頼りにしている。それは、このスキームが、電源供給を整理統合し、かつデリケートな電子機器回路を汚損及び液体から保護しつつ、該機械の活動部分の嵩（バルク）を最小にするためである。
【００５８】
ネットワーク又は分散トポロジ、例えば、図６Ａに例示したネットワークコントローラ（ホーム−ランモータシステムよりもずっと一般的ではないが）は、長年理解されている潜在的利点を有する。該ネットワークトポロジは、該機械を通じて持ち込まれる線１８０の数を劇的に低減する。これは、コントローラ１８６の嵩（体積及び重量）を、該機械構造上の外側で、関連したモータ１７８の隣りに再配置する。該増加した質量（mass）は、該しばしば可動な構造によって保持（支持）されなければならない。また、重要なことには、有効モータ寸法が、付加されたコントローラの嵩から増える場合、該機械は、採用が考慮され得る以前に非常に費用のかかる機械設計を必要とし得る。更に、ネットワークコントローラは、共用シリアルバスの通信帯域幅によって制限される。
【００５９】
図６Ｂは、ネットワークコントローラのキー構成要素を詳細に示し、ここでは、モータ本体１６２及び位置センサ１６８が電源線１９０、エンコーダ線１８８及びホール効果線１８９によってローカルコントローラ１８６に接続される。この付加的なコントローラの嵩１８６は、モータ＋エンコーダ＋コントローラの嵩のかなりの割合であり、また、何故ネットワークコントローラがより広く採用されていないのかを説明し得る。ネットワークモータ１７８を出る線１９２は、バスパワー＋１９２Ａ、バスパワーリターン１９２Ｂ、バスシリアル通信＋１９２Ｃ及びバスシリアル通信リターン１９２Ｄから成る。
【００６０】
これらの線は、機バス線１８０に接続される。通常、ネットワークコントローラは、二本のバス電源線１８２と二本のバスシリアル通信線１８４とから成る四本の線１８０（及び安全用の接地パス）で動作する。しばしば、より多くの線が用いられる。これは、今度はモータに配置される電子機器回路が、例えば、光アイソレータに電源を供給するため、追加の（論理レベル）電源電圧を一般に必要とするためである。これらの追加の電力レベルが各モータコントローラで局所的に生じる場合、コントローラの嵩は、尚一層増加する。該追加された嵩による欠点が、何故ネットワークモータが一般的ではないままであるのかの主要な理由である。
【００６１】
ネットワークコントローラが嵩を全く増やさないなら、機械製造業者に格段にアピールするであろう。彼らは、彼らの既存の据付け機械ベースに後付けすることができる。彼らはまた、高コストで破壊的な大きな機械的再設計を伴うことなく、新規機械に該技術を素早く採用することができる。
【００６２】
本発明のコントローラ１００は、図７Ａ及び７Ｂに関連して述べる新規トポロジに使用され得る。図７Ａの機械１９４は、典型的な慣用のネットワークモータとして、同じバス１８０を共有するモータ１９６のネットワークを含む。しかしながら、図７Ｂに例示されるように、エンコーダ及びホールセンサは、コントローラ２００内に組み込まれ、モータ本体１６２に直接取り付けられる。そのため、該システム全体は、他の同等の慣用ホーム−ランシステムに対して追加の嵩がゼロである。線及び関連したコネクタ並びに図６〜図７間のモータ付近のハンダ付け接続部の著しい嵩の縮小はかなりのものであり、また、数センチメートルの線に対して電気的雑音が導入される機会は、数ミリメートルのプリント回路基板トレースのみへと低減される。モータ本体寸法１６２が、所要電力によりスケール変更される傾向にあるのに対し、位置センサ及びセンサ線は寸法が比較的一定のままである。三つのモータ相リード１９８Ａ−Ｃ、すなわち、１９８Ａ（相Ａ）、１９８Ｂ（相）、１９８Ｃ（相Ｃ）は、コントローラの縁上へと直接終端し、本明細書中「溝」１０４と呼ばれるチャネルによって保護される。バス線１９２Ａ−Ｄは、コントローラ２００の四つ以上の縁溝１０４に多方向から終端する。好ましい実施形態では、他のシステムとの統合をより容易にするため、四本のバス線を用いるが、ワイヤレス又は信号過出力バス技術により、バス線の総数は二本のみに減らされ得る。
【００６３】
慣用のコントローラからこれも離れる本発明の別の側面は、エンコーダ（及び随意的にホールセンサ）をコントローラ電子機器回路内へと直接折り込むことを含む。これは、多大な冗長な電子機器回路、パッケージング及びフックアップ線を除去する。線及びコネクタの削減は実質的な嵩を減じ、また、ＥＭＩ（電磁妨害）アンテナとして動作するそれらの役割を取り除く。実際のレーザ光学を除くサポート電子機器回路の大部分は、コントローラ電子機器回路において既に利用可能である。従って、多大な電子機器回路の嵩が取り除かされる。詳細に後述する模範的なコントローラにおいて、モータ回転当たり４０、９６０エンコーダカウントをサポートするレーザ光学構成要素は、１ｃｍ3未満を占める。また、アイソレーションは全く要求されず、エンコーダから制御回路へと信号を伝える導線（導体）は、上述したように、非常に短いものであり得、また、それらのインダクタンスＬが、モータ駆動と通常関連した高周波で切り換えられるモータ電流に対して無視してよい程十分大きい断面積を有する。
【００６４】
線接続部は、この小規模のコントローラ設計において重要である。マルチプルアンプ電流が大きいままであるが、そのスペースはきわめて小さい。ミニチュアＤ−サブコネクタ等のどのような慣用のコネクタも、該モジュールの有効寸法を二倍にするであろう。この好ましい実施形態は、実質的に容積を全く増やさない接続スキームを、モータ及びコントローラのパッケージ全体へと組み込む。
【００６５】
図８及び９は、電源線２０６及び信号線２０８がモジュールに恒久的にハンダ付けされた構成を例示する。いずれも、絶縁材２０２、２０４は、溝２１０、２１２（該溝は絶縁材直径よりもごくわずかに小さい幅に寸法付けられる）にしっかりと保持される。この絶縁材とのぴったりとした嵌合は、該モジュールの優れた張力逃がし２１８、２２０を保証する。溝の端部は、絶縁材が該溝の脱出地点で摩耗しないように丸み２２６が付けられる。スズめっきした導体２１４、２１６は、溝領域内に露出し、確実なハンダ接合部２２２、２２４のために、線直径２０６、２０８に調和される。図９から最も明確に分かるように、溝の深さは、該電子機器回路モジュールの円柱（円筒）外径のごくわずかに（例えば、〜．１ｍｍ）上方に絶縁材を延ばすため、これらが好ましい実施形態にあるように設計され得る。これにより、頑強な張力逃がしを最大にするように該絶縁材を所定箇所に更に締め付けるため、リング、テープ又はタングが使用され得る。図８及び９はまた、補助円柱位置合わせ形状部１１４、２２８を示し、これは、別の取付け方策に対応することができる。
【００６６】
図１０及び１１は、フレキシブル接点を用いる単一の多心（マルチ導線）コネクタとしてコントローラモジュール全体を扱うための多くの可能性のうちの一つを例示する。該モジュールが最終的に所定箇所に恒久的にハンダ付けされる場合でさえ、このようなコネクタの特徴は、鋳造体１００を形成するためのエポキシでの鋳造前後におけるモジュールの効率的な品質検査を助長する。
【００６７】
コントローラ１００の特定機械へと据付けのためにバリエーションが用いられ得る。コントローラモジュール１００は、コネクタ２３０内に嵌め込まれる。コネクタ２３０は、プリント回路基板ホストリング２３２から成り、その外側縁部２３４は、電子ハードウェア又は接続ヘッダの何らかの品質検査を支援するため、任意の形状で外側に拡張され得る。プリント回路基板ホストにおけるめっきスルーホール２３６は、フレキシブルな電源ベリリウム銅ピン２３８及び信号ベリリウム銅ピン２４０を収容し、これらはハンダ２４２、２４４によって固定される。面取り端部２５０、２５２に組み合わされた該ピンにおける屈曲部２４６、２４８は、該ピンが溝内及び電気接点の上部上へと滑らかにスライドすることを可能にする。位置合わせ肩部２２８又は該コントローラの反対側（この図では隠れている）における反対側の形状部と組み合わされたエポキシ面２５４上のスレッドインサートは、しっかりと整列された該モジュールを保持することを支援することができる。あるいは、全モジュールは、反対面上の位置合わせ肩部に対して締め付けられ得る。図１１Ａにおいて、３５ｍｍのコントローラ外径２５５は、コネクタリング内の中心に置かれ、関連した固定ピン２７０のために溝２６８にいくらかのクリアランスを許容する。図１１Ｂのコネクタの断面はエポキシマトリックス２７６を露出し、そこから溝が形成される。ピンは、据付け次第、溝側壁２７２によって案内される。最終位置にある場合、ばね圧が信頼性のある電気接点を維持する。図１１Ｃのリング２７７の断面は、コントローラの除去から生じるばねの動作を例示する。
【００６８】
図１２のトロイダル変圧器２６０は、コントローラにおける最大の単一構成要素であり、ＭＯＳＦＥＴの半円すぐ内側にネストされる。該変圧器は、単一モータバス電圧１８−１００ｖｄｃをマルチプルロジックＶｃｃ電圧へと変換する機能の中心にある。該トロイドが主要ＥＭＩエミッタであるので、これは、それ自体のクラムシェル状絶縁ソリッド銅箔シールド２８０（これは、ワニス絶縁され、単一ポイント２８４で接地される）において別個に遮蔽される。
【００６９】
図１３は次の点を例示する。周囲の保護エポキシモジュール１００の内部において、コントローラは、一般に相互に平行に離隔した上部２５６及び底部２５８の１０層プリント回路基板を有し、該基板は、モータコントローラの容積を実質的に三つの層状領域、すなわち、信号レベルの幾分静かな（雑音がない）上部領域２８８（通常、関連したモータ背部に対面する）と、高さが高く、雑音があるサンドイッチ（挟まれた）領域２９０と、静かな底部領域２９２（モータから離れる方を向く）とに分離する。上記変圧器に関連した大型電源供給キャパシタ（コンデンサ）２９６は、利用可能な垂直サンドイッチスペース２９０の利用を最適化するため、積み重ねられる。サンドイッチ領域へのＥＭＩの収容を助けるため、サンドイッチ領域に最も近い一つ又は複数の基板層は銅接地シールド２８０を含む。一形態において、該シールドは、慣用の金属性遮蔽材であり、該遮蔽材は、Ｐ．Ｃ．基板２５６、２５８に埋め込まれ、電気接続部によって選択的に作動される。他の既知の遮蔽材も使用可能である。とりわけ、特にノイジーな回路及びディスクリート回路構成要素が特に遮蔽（保護）され得る。
【００７０】
任意の形状とされ得るが、基板２５６及び２５８のための好ましい形状は、ほとんどの慣用の光学インクリメンタルエンコーダの形状因子内に適合するため、及び、コントローラ１００の質量中心から最も遠い構成要素の（質量中心からの）距離を最小にするため、本質的に円形で平坦である。この小型性に関する考慮は、上述したＥＭＩ、インダクタンス及び熱の問題を考量するためのみならず、回路構成要素のエポキシへの封止においてエポキシが硬化する際にそれが縮小するため、重要である。それが縮小するか又は別の態様で劣化する際、それは、基板上の構成要素を引っ張って該要素をずらすか、又は、電気的接続部の品質を低下させ得る。本発明のコンパクト性は、この影響に抵抗する。
【００７１】
本発明の別の実施形態は、多くの他の形態を採用し得ることに留意されたい。該他の形態は、回路２５６及び２５８の両方を含む単一基板、又は、フレキシブルなマイラー（登録商標）相互接続により結合された二つの別個の基板上の回路２５６及び２５８を含むが、これに限定されない。
【００７２】
図１３の模範的設計において、六つのパワーＭＯＳＦＥＴ２９８が並んで配置され、基板の外側縁のすぐ内側の半円に直立し、それらのヒートシンク３０４が外側を向き、コントローラからの伝導及び除去のために周囲のエポキシマトリックス２７６への熱伝達を最適にする。もちろん、本明細書中に述べた好ましい用途であるロボットデバイスのｄ．ｃ．ブラシレスモータには、六つのＭＯＳＦＥＴは理想的であるが、当業者は、異なる数が他のケースにおいてより適切となり得ることを認識する。
【００７３】
基板−基板電気接続部２９４は、組立てのアクセスの容易性のために該（複数）基板の外周に沿って配置された十八の堅い「垂直」（軸方向に向けられた）ソリッド導線によって、図１３に示す例示実施形態に実装される。該（複数）基板は、該（複数）線が（複数）基板に例えば９．５ｍｍにて間隔をあけるように、ハンダ付け中に取り付けられる。
【００７４】
上部領域２８８は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）３００によって支配される。随意的に、一体型ホールセンサモータ位置検知出部３０２のためのスペースが存在する。マイクロ−Ｅブランドの光学インクリメントエンコーダ読取りヘッド２６６は、該読取りヘッドが、回転モータ軸の端部に取り付けられた慣用の反射光学ホイールからの光学半径と位置合わせされるように、この例示実施形態において基板中心から６ｍｍだけずらされて上部基板上に直接組み込まれる。この組合せは、モータ軸の回転及び一つのインデックスパルス当たり４０，９６０Ａ−Ｂカウントをもたらす。このレベルの精度において、該コントローラは、計測用途並びに整流に使用され得る。位置感知を加えるための増分費用は、このレベルの精度でさえ、現在、わずか５０米ドルであり、これは、格段に低い精度のスタンドアローンのエンコーダに対して負けない。該光学素子は、位置合わせ不良のために組込み調整を有する。試験は、該コントローラモジュールが、更なる調整を伴うことなく簡易に据え付けられた場合において確実に作動することを実証した。
【００７５】
小型近接センサ（図示せず）が、コントローラモジュールと、関連したモータ軸の端部との間の距離を測定するため、モジュール１００のセンターラインに配置され得る。上述した米国公開出願第２００４−０１０３７４０−Ａ１号の「Intelligent，Self-Contained Robotic Hand（インテリジェント独立型ロボットハンド）」に記載されるロボット用途において、モータ軸がウォーム歯車を駆動すると、該ウォームホイールにおけるトルクがわずかな固有モータ軸コンプライアンスを、モジュールから離れる方へ又はモジュールに向かって軸方向にそらす。
出力トルク対近接読取りの較正は、ＤＳＰ（デジタル信号プロセッサ）３００が、ウォームホイールトルクを計算することを可能にし、これは、次いで、例えば、最大トルクを能動的に制限することによってロボットハンドの指を保護するため、制御アルゴリズムに組み込まれ得る。
【００７６】
これらの基板は、本明細書中、それぞれ「Tater」及び「ＦＥＴ」と呼ばれる。図１４のTater基板の記述は、図１３の中央演算処理装置（ＣＰＵ）３００の実行で始まる。図１５は、次に、図１３のＦＥＴ基板２５８の機能を図示する。図１６は、接地及び電力配分スキームを開示する。図１７は接地及び遮蔽を更に例示し、図１２は、図１１Ｂのトロイダル変圧器２６０の遮蔽技術を示す。
【００７７】
この模範的実施形態のTater基板設計は、テキサス・インスツルメンツ社のＴＭＳ３２０Ｆ２８１２の高温ＢＧＡ（ボール・グリッド・アレー）バージョンである図１３の３２ビットＤＳＰ３０６上の中心に置かれる。Taterは、ＤＳＰ３０６の１５０ＭＨｚ定格内の８０ＭＨｚクロック速度でＤＳＰ３０６を実行する。このＤＳＰのＢＧＡパッケージサイズも非常に小さく、わずか１０ｘ１０ｘ１ｍｍ＝０．１ｃｍ3の寸法となる。
【００７８】
図１４において、ＤＳＰ３０６は、二つのイベントマネージャＥＶＡ３０８及びＥＶＢ３１０を含み、これら各イベントマネージャは、専用の空間ベクトル整流（コミュテーション）パルスを供給することができる。該パルスは、モータを整流及び制御するために極めて重要である。小型のハンデを除き、何故、ここで開示した基本設計により二つのモータを制御できないかの理由はない。しかしながら、例示実施形態は、このコントローラのエンコーダ機能に対する同様の性能のほとんどのエンコーダのパッケージ寸法内にコントローラ寸法を保つため、一つのモータを制御するＥＶＡだけを使用する。いくつかのＥＶＢポートは、ＧＰＩＯ（汎用入力部／出力部）として再割り当てされている。
【００７９】
シリアルバス通信３１２は、電気的ノイズをフィルタ処理するため、モータが一般的に用いられるオプトアイソレーション技術の代わりに、とても小さいコモンモードチョーク３１４を使用する。該シリアル通信はＣＡＮバスプロトコルに従い、これは、ＤＳＰ３０６に固有にサポートされる。ＲＳ２３２シリアルトランシーバ３１６と、プログラミング及びデバッギングインターフェース３１８とは、プログラミング、開発及びデバッギングで使用するための補助通信を可能にする。利用者は、通常、二つのＣＡＮバス接点のみを必要とするにもかかわらず、ＣＡＮバス及びＲＳ２３２シリアル通信が、溝における利用可能な電気接点へと配線される。プログラミング接点、開発接点及びデバッギング接点は、これらが外側溝接点に配線されないので、エポキシが鋳造される以前にのみ利用できる。
【００８０】
２５６ＫバイトシリアルＥＥＰＲＯＭ３２０は、ＤＳＰに利用可能に実装されたＲＡＭ及びフラッシュメモリを補完する。調整されていない６ｖｄｃからのデューティサイクル電流変調は、二つの５０ｍＡ補助電源３２２から利用でき、該補助電源は、自動テンショナ（該好ましい実施形態のＷＡＭロボットアームにおいて実行される）を作動させることができる。及び／又は、ロボットブレーキング装置は、利用可能なＥＶＢ２０４ピンを活用し、該ピンはパルス幅変調をサポートする。これら各電源では、パルス幅変調がＭＯＳＦＥＴのデューティサイクルを制御する。他の製品に適用される場合、これらの電源は他の目的のために利用可能となる。
【００８１】
単流センサフィードバック３２４は、空間ベクトル通信中の非常に高速なシーケンスにおける三相各々の単線又は単一接続地点における電流の基準（目安）である。上述したように、この方法での測定は、異なるセンサのわずかに異なる利得及びバイアスに完全に整合させることが非常に難しいという点の通常の２及び３センサ電流増幅器の性能問題を克服する。これらのセンサを十分に整合させないことは、一般的で顕著なトルクリプル源である。モータ巻線に組み込まれる慣用のサーミスタは、３２６でTaterにフィードバックされる。バス電圧感知は３２８でフィードバックされる。補助アナログ信号感知は３３０でフィードバックされる。ホールセンサ３３２信号及び歪みゲージ信号３３４もコントローラに供給される。該アナログ信号は、ＣＰＵのアナログ−デジタル変換器３２７に供給される前に、信号処理ブロック３２５における過電圧又はノイズ抑圧のため、ローパスフィルタ処理及びクランプされ得る。
【００８２】
論理電圧及び電流は３３６でフィードバックされる。「ウォッチドッグ」回路３３８は、調整されていない６ｖｄｃ論理電圧を監視し、電圧が低下し過ぎたらインバータを不能にする。ＡＤＣ電力調整回路３４０はフィルタを実行する。最後に、ＤＳＰクロックは回路３４２で実行される。
【００８３】
ホール効果フィードバック調整回路３４４は、実行されるホールのタイプに応じて、異なる「スタッフィングオプション（stuffing options）」に対処する。マイクロＥエンコーダ読取りヘッド回路３４６と基板に実装されているエンコーダ又は外部エンコーダを選択するための選択回路とは、チップエンコーダ３４８にあり、また、異なる電圧回路３５０が、フィルタチューニングを伴う歪みゲージ信号調整回路図を示す。差動電圧発生回路３５２は、ダーティな（調整されていない）論理電圧の調整を示し、これは、ＣＰＵ「ウォッチドッグ回路」に伴う、ＣＰＵ製造業者仕様ごとの固定シーケンスにおいて開始される。論理電力感知回路は回路３５４において示される。
【００８４】
ＦＥＴ基板回路図は図１５に示される。これは、ＤＣ−ＤＣ変換器回路３５６から成り、該回路３５６は、主電力バスから二つのより低い調整されていない電圧を作り出すために二つの二次巻線を有する変圧器を使用する。すなわち、ＭＯＳＦＥＴドライバ用の電圧と、調整された論理電圧への更なる改良のためにTater基板に送られる電圧である。
【００８５】
モータ駆動部３５８は、電流感知及び調整回路３６０からの電流フィードバックに基づいて巻線電流を調整するため、六つのＭＯＳＦＥＴ（モータのタイプに応じて異なる数が使用され得るが）から成る。コントローラ全体のための単一の温度感知チップは３６２で表される。バス電圧は回路３６４で測定される。
【００８６】
本発明の更に別の側面は、慣用の設計のやり方とは逆に、図１４のセンサ３２４等の一つの巻線電流センサを使用し、該センサは、好ましくは、高速シーケンスにおいて全巻線に適用される。一つのセンサは、巻線電流を感知及び制御するために慣用的に使用される二つ以上のセンサよりも小さく、電力の浪費も少ない。ロボット用途の好ましい実施形態で使用される空間ベクトル制御は、高トルク精度電気的整流技術である。該技術は、６段整流に対する電力効率を高めつつ、巻線電流（従ってモータトルク）の非常に高い精度の制御を提供する。
【００８７】
一つのみの電流センサを使用する主要かつ予想外の利益は、これが、二つのセンサよりも少ない直接測定値を与える一方、電流制御の精度を実際に改善することである。複数のセンサによる電流感知の中心的課題は、各センサがわずかに異なるバイアス及び利得を有することであり、該バイアス及び利得は、温度によりわずかに別々にドリフトする。いかなる組のセンサ間の上記相違も付加的トルクリプルの主要源である電流センサエラーにつながる。一つだけのセンサを用いることにより、センサのバイアス及び利得は、すべての状況下で同一のままである。本発明のコントローラにおける単一のセンサは、マサチューセッツ州ケンブリッジ所在のBarrett Technology社のＷＡＭブランドロボットアームシステム（以下「ＷＡＭアーム」という）を駆動するためにこのコントローラが使用された場合、トルクリプル（これは回転当たりの極数の周波数で生じる）を検出されないようにする。鉄心のＴスロットを分離する鉄アイランドに近接して通過する磁石によって生じるわずかなモータコギングは、回転当たりの鉄心のＴスロット数の周波数で依然として存在するが、この外乱トルクは、例えば較正ルックアップ表を用いることにより、容易にキャンセルできる。該表は、コントローラのＥＥＰＲＯＭに恒久的に保存され得、また、リアルタイムにアクセスされ得、シリアルバス帯域幅とは独立に該表が任意の周波数に適用されることを可能する。
【００８８】
図１６は、どのようにして該コントローラにおいて接地が行われるか、及び、どのようにして誘導電圧レベルが作り出されかつ分配されるかを例示する。主要バス電圧３６８及びハイパワーリターン（高電源回復）３８６が供給するフライバック変換器３５６は、二つの出力電圧を作り出す。すなわち、浮動電圧であるＶ＿ＬＯＧＩＣ＿ＲＡＷ３７０からＶ＿ＬＯＧＩＣ＿ＲＥＴＵＲＮ３７２（以下、単にＶ＿ＬＯＧＩＣ＿ＲＡＷという）と、ハイパワーリターン３８６と呼ばれるＩＮＶＥＲＴＢＲ＿ＰＷＲ３７４である。
【００８９】
Ｖ＿ＬＯＧＩＣ＿ＲＡＷは、図１３のTater基板２８６上の電圧調整器、図１６の３．３Ｖ／１．９Ｖ調整器３７８、及び５Ｖ調整器３８０に電力を供給する。調整された３．３Ｖは、アナログ−デジタル変換器３２７（図１４）に対するＣＰＵ製造業者の推奨により、図１６の受動フィルタリング３８２においてフィルタ処理される。フィルタ処理された電圧は、Tater２８６（図１３）上に確立されたアナログ接地３７６を基準とする。フィルタ処理された電圧は、次いで、電圧基準３８３（図１６）へと供給され、アナログ信号感知電圧基準用の３．０Ｖを作り出す。
【００９０】
リターン電流は、Ｖ＿ＬＯＧＩＣ＿ＲＥＴＵＲＮ３７２を介して電圧変換器３６６に送られる。しかしながら、論理接地３８４は、電気的に静かで太い非電流伝送パス３８８を介して、単一地点３９０でハイパワーリターン３８６に結合される。ＦＥＴ基板（図１３の２５８）における図１７の遮蔽層４００も、単一地点３９１及び太い接続部３９２を通じて図１６のハイパワーリターン３８６に結合される。遮蔽接地は３９４で表される。
【００９１】
Tater基板２８６（図１３）上で用いらればかりでなく、５Ｖ、３．３Ｖ及びＡＤＣ３．３Ｖは、ＦＥＴ２５８に送られる。これらのリターン電流は、図１６の導線３９５を通じてTaterへと戻されると共に、単一地点接続部３９６を介して論理接地へと戻される。
【００９２】
電力及び通信バス伝送がネットワークトポロジにおいて行われる。一つだけの電力バスが存在するので、複数の電力バス間の接地ルーピングは問題とはならない。また、一つだけのネットワーク通信バスも存在する。ＣＡＮバスは、コモンモードノイズのスパイク、及び、コントローラにおけるＣＡＮ接続部と直列のコモンモードチョーク３１４（図１４）を通じての接地電流から保護される。
【００９３】
図１７は、コントローラ内部の物理的な遮蔽及び接地スキームを示す。銅ルーティング層４０８は高感度信号を伝える。これらの層は、遮蔽層４００によってよりノイズがあるルーティング層４２４から保護される。遮蔽層４００は、単一地点４０２で共に結合され、同じ地点４０２でハイパワーリターン層２８２に結合される。単一地点接続部４０２は、該層内の電流ループを除去する。正パルスノード面４１４はバス線４１０に接続される。バスパワーリターン２８２は、位置４１２で接続される。バスパワーリターンは、コントローラ全体のための共通地点を設定し、また、バスパワーリターンには厚い１ｏｚ．銅面が与えられ、これにより、それが最小抵抗効果及び／又は誘導効果による高い切換え（スイッチ）電流を伝導するようになる。ハイパワーリターン層２８２は、単一地点接続部４０６を介して、又は、図１６の非電流伝送パス３８８に見られるように、論理接地４２２に結合される。
【００９４】
電力は、図１３のＦＥＴ基板２５８上の図１７のＤＣ−ＤＣ変換器４１６から図１７の４２６及び低インダクタンス導線４２８を介してTater基板２８６へと送られることが理解され得る。４１８で示す調整器は、面４２０及び４２２間に３．３Ｖを確立する。
【００９５】
図１３におけるＦＥＴ基板２５８とTater基板２８６間の構成要素の電気的ノイズがある性質により、電力及び接地面４２０及び４２２と中央空隙との間に、図１７において一つだけのTater２８６ルーティング層４０８が存在する。他のすべての（図１３の）Tater２８６（図１７の）ルーティング層４３０は、平面層４２０及び４２２の遮蔽特性から利益を受ける。
【００９６】
コントローラにおける主要ＥＭＩノイズエミッタは、トロイダル変圧器２６０である。従って、これは銅箔シールド２８０に包まれ、これは、次いで、ハイパワーリターン層２８２を通じてハイパワーリターンに結合される。この遮蔽は、有害なＥＭＩがトロイド及び感染高感度回路を去ること（これは、望ましくないコントローラ動作を引き起こし得る）を阻止する。
【００９７】
別のノイズエミッタはＭＯＳＦＥＴ２９８であり、これらＭＯＳＦＥＴ２９８は、コントローラの中心に向かって配置されるより感度のよい回路から離してコントローラの縁の周囲に注意深く配置される。ＭＯＳＦＥＴには、半径方向外側を向くそれらの金属ドレイン接続タブが置かれ、そのため、電圧切換え過渡事象中、該タブは、コントローラ回路へ静電ノイズを吹き付けない。
【００９８】
図１のコントローラ１００は、機能ブロックに編成され得る。単一パワーバスは、１）図１８Ａのブロック４６０で示すモータアンプ、ゲートドライバ及びＭＯＳＦＥＴ、及び２）電圧変換器４６２に電力を供給し、これは、次いで、フィードバックブロック４６４、補助ドライバブロック４６８、マイクロプロセッサ、論理及びメモリブロック４７０、及び通信トランシーバブロック４７２に電力を供給し、ブロック４７２は、線、ワイヤレス又は通信過出力線モードを介して、外部データに対するＩ／Ｏインタフェースとして機能する。フィードバックブロックは、すべて本明細書中に記載したかそうでなくても既知のホールセンサ、エンコーダ、温度センサ及び歪みゲージセンサ等のセンサが出力した信号を受け取る。補助ドライバブロックはアクチュエータに電力を供給し、これらアクチュエータは、例えば、ケーブル駆動の張力（使用される場合）、及び、ジョイントブレーキ（使用される場合）を制御する。該ブロックは、例えば、二つのＭＯＳＦＥＴを利用することができ、該ＭＯＳＦＥＴは電源をオン及びオフし、該電源は、次いで、ソレノイド等のアクチュエータを作動させる。該ＭＯＳＦＥＴは、１０Ｋｈｚ等の高周波で動作可能である。モータアンプ、ゲートドライバ及びＭＯＳＦＥＴ機能ブロックは、ＤＣブラシレスモータ等に対する慣用のモータ駆動出力を発生させる。
【００９９】
図３及び４に例示した別の実施形態を上回る更なる寸法縮小の代案として、図１８Ａに示す機能ブロックは、機能的に同様な特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）に統合されて、図１８Ｃに論理的に示すように、基板上に近接して共にグループ化され得る。理に適う該実施形態の機能チップグループ分けには、ＦＥＴドライバ、自動テンショナドライバ、通信線ドライバ４８０と、電流感知及び増幅／調整、歪みゲージアンプ、歪みゲージアンプ、温度感知、及び位置感知４８６と、パワーＭＯＳＦＥＴ４８２と、ＤＳＰ、メモリ及び個別論理４８４とがある。
【０１００】
図１５の３５６で目下行われる電圧変換機能を実現するため、より小さいプロファイル電圧変換オプションは、チャージポンプ、異なる形状の変圧器（パックコントローラに対するコネクタに組み込まれる）、ステップダウン変圧器及び整流器のＡＣバス（通信がより難しくなるが、この欠点は他の検討事項により相殺され得る）の使用、モータ相巻線に組み込まれた変圧器及び他の大電力変換回路、又は、該変圧器を基板材に巻く平面磁石１４２技術の使用、を含むことが更に企図される。
【０１０１】
第２の更なる寸法縮小は、図１８Ｂに示す単一シリコンチップ上の超大規模集積回路（ＶＬＳＩ）を利用する一つのＡＳＩＣチップとして、図１のパックコントローラ１００のモータコントローラ回路を実現する。該ＶＬＳＩチップの実施形態（図１８Ｃ及び図１８Ｂ）の両方は、ＰＣＢ上に個別部品を利用するパックコントローラ１００よりも格段に小さいプロファイルを作り出す。
【０１０２】
モータにおける多くの揮発性及び不揮発性メモリと、多くのローカル感知情報と、共用通信バスを介する全モータの状態の知識とを有する強力なプロセッサの用意ができた存在及び組合せは、局所的に計算される多くの重要な機能を可能にすると同時に、性能を高め、シリアルバスの負担を軽減し、ネットワークシステム外部のプロセッサの計算及びメモリを削減する。例示実施形態で実施される本発明は、このユニークな特性をいくつかの方法で利用する。残余モータコギングは、ＥＥＰＲＯＭに保存されるルックアップ表にマッピングされる。次いで、該ローカルコントローラは、エンコーダが位置変化を感知する際に５００Ｈｚ又は２ｍｓｅｃで受けている最後のトルクコマンドを修正する。このような高分解能エンコーダにより、２ｍｓｅｃＣＡＮバス遅延内で受け取られるパルス数は著しい。
【０１０３】
その結果、通信帯域幅よりも急速に速度及び加速度等の状態変数を計算しフィルタ処理する能力により、性能が向上する。低速度でさえ、エンコーダパルスが受け取られる正確な時間のロギングは、通常、ひどい打切り誤差に悩まされる速度推定及びフィルタ処理を劇的に改善する。正確なリアルタイム状態情報によって決まるいくつかの制御計算は、次の２ｍｓｅｃ更新を待つことなく、モータの制御された出力に反応して、該出力を変化させ得る。例えば、触覚学において、速度及び加速度のタイムリーな推定は、減衰及び慣性のユーザの触覚認知に直接影響を及ぼす。センサにポーリングして、バス周波数と素速く比較される他の重要な数値を再計算する機能はまた、基板に実装された加速度計による重力補償及び重力ベクトル推定に適用され得る。
【０１０４】
５００Ｈｚでの該システムのすべてのモータの状態の各モータコントローラによる共用知識はまた、より高レベルの運動学的行列（マトリックス）計算の並列処理を可能にする。一例は、ヤコビアン行列の計算であり、その係数は、すべてのモータ位置の関数である。この計算は、５００Ｈｚもの速さで遂行される必要はない。何故なら、該計算は、位置変化によりせいぜい徐々にのみ変化するが、ネットワークシステム外部の高レベルプロセッサが通常は要求するであろう計算負担はもはや要求されないからである。
【０１０５】
本発明の好ましい実施形態が特定の用語を用いて記述されたが、このような記述は単に説明目的のためのもので、当然のことながら、特許請求の範囲及びその精神から逸脱することなく、変更及び変形が成され得る。
【０１０６】
参照による組込み
本明細書中に開示したすべての特許、公開特許出願及び他の参考文献は、本明細書によって、参照によりそっくりそのまま明確に組み込まれる。
【０１０７】
均等物
当業者は、せいぜい日常的な実験を用いて、本明細書中に記述した本発明の特定の実施形態と同等の多くの形態を認識し、又は確認するこができる。このような均等物は、特許請求の範囲に包含されることが企図される。
【図面の簡単な説明】
【０１０８】
【図１】本発明に従うモータコントローラの側面図である。
【図２Ａ】ロボットアームのロボットリストにおける本発明の三つのモータコントローラの模範的実施を例示する図である。
【図２Ｂ】ロボットアームのロボットリストにおける本発明の三つのモータコントローラの模範的実施を例示する図である。
【図３】本発明に従うモータコントローラに対する別の実施形態の上方斜視図である。
【図４】本発明に従うモータコントローラに対する別の実施形態の下方斜視図である。
【図５Ａ】慣用ホーム−ラン型のモータ巻線トポロジを示すブロック概略図である。
【図５Ｂ】図５Ａの慣用ホーム−ラン型モータ巻線トポロジに具現化したモータの例示である。
【図６Ａ】慣用の分散型又はネットワーク型のモータ巻線トポロジのブロック概略図である。
【図６Ｂ】図６Ａの慣用分散型モータ巻線トポロジに具現化したモータの例示である。
【図７Ａ】本発明に従う分散型又はネットワーク型のモータ巻線トポロジを例示するブロック概略図である。
【図７Ｂ】図７Ａの分散型モータ巻線トポロジにおいて本発明のモータコントローラを具現化するモータの例示である。
【図８】ハンダ付けされた低プロファイル（薄型）電気接続部を有する本発明のモータコントローラの例示側面斜視図である。
【図９】ハンダ付けされた低プロファイル（薄型）電気接続部を有する本発明のモータコントローラの例示側面図である。
【図１０】ばね式低プロファイル電気接続部を有する本発明のモータコントローラの別の例示側面斜視図である。
【図１１Ａ】本発明のモータコントローラをモータシステムに電気的に接続するための模範的な構成を例示する図である。
【図１１Ｂ】本発明のモータコントローラをモータシステムに電気的に接続するための模範的な構成を例示する図であり、ＥＭＩシールドを含む。
【図１１Ｃ】本発明のモータコントローラをモータシステムに電気的に接続するための模範的な構成を例示する図である。
【図１２Ａ】本発明のモータコントローラ用の模範的なＤＣ−ＤＣトロイドＥＭＩシールドを例示する図である。
【図１２Ｂ】本発明のモータコントローラ用の模範的なＤＣ−ＤＣトロイドＥＭＩシールドを例示する図である。
【図１３】モータコントローラの機能の構成及びコントローラのコンパクト性を例示するため、鋳造体／保護エポキシのない、本発明のモータコントローラの斜視図である。
【図１４】本発明のモータコントローラの主として信号−レベル電子機器回路のためのプリント回路基板の概略ブロック図を例示する。
【図１５】本発明のモータコントローラの主として電力−レベル電子機器回路のためのプリント回路基板の概略ブロック図を例示する。
【図１６】本発明のモータコントローラのための接地／シールドを例示する概略図である。
【図１７】本発明のモータコントローラ内部に使用される物理的接地及び遮蔽スキームを示す例示断面図である。
【図１８Ａ】ＡＳＩＣフォーマットにおける本発明の別の実施形態のブロック図を例示する。
【図１８Ｂ】ＡＳＩＣフォーマットにおける本発明の別の実施形態のブロック図を例示する。
【図１８Ｃ】ＡＳＩＣフォーマットにおける本発明の別の実施形態のブロック図を例示する。
【符号の説明】
【０１０９】
１００  超小型モータコントローラ（モジュール）
１０１  鋳造体
１０２  光学レンズ
１０４  溝
１０６  電気接点
１０８  保護エポキシ
１１４  同心円筒段部
１１６  位置合わせピン
１１８  係合部
１２０  コントローラ面
１２２  皿ばねワッシャ
１２４  キャップスレッド
１３０  エンコーダレンズ面
【図１】
2008515382.tif 000002
【図２Ａ】
2008515382.tif 000003
【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
2008515382.tif 000011
【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
2008515382.tif 000014
【図１０】
2008515382.tif 000015
【図１１Ａ】
2008515382.tif 000016
【図１１Ｂ】
2008515382.tif 000017
【図１１Ｃ】
2008515382.tif 000018
【図１２Ａ】
2008515382.tif 000019
【図１２Ｂ】
2008515382.tif 000020
【図１３】
2008515382.tif 000021
【図１４】
2008515382.tif 000022
【図１５】
2008515382.tif 000023
【図１６】
2008515382.tif 000024
【図１７】
2008515382.tif 000025
【図１８Ａ】
2008515382.tif 000026
【図１８Ｂ】
2008515382.tif 000027
【図１８Ｃ】
2008515382.tif 000028
【手続補正書】
【提出日】平成19年7月13日(2007.7.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項３５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項３５】
前記コントローラのコンパクト性は、少なくとも約２０ワット／立方センチメートルの伝送電力密度によって特徴付けられる請求項３４のコントローラ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項３６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項３６】
ロータの回転位置を決定するため、前記マトリックス内に配置され、前記制御回路に電気的に接続され、かつ、前記サーボモータに近接して配置される位置センサを更に備え、該位置センサ及び該コントローラは、一体型モータ制御ユニットを形成する請求項３４のモータコントローラ。
【手続補正３】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項３７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項３７】
前記コントローラ及びこれに関連したモータは、少なくとも一つの他の前記コントローラ及びこれに関連したモータに電気的に接続されて、モータ−コントローラのネットワークを形成する請求項３４のモータコントローラ。