JP4067492B2 - 電気負荷を安全に接続解除するための安全スイッチング装置 - Google Patents

Description

本発明は、電気負荷、特に、電気装置を安全に接続解除するための安全スイッチング装置であって、少なくとも２つのスイッチング位置を有する、外部電源供給路を遮断するための少なくとも１つの出力スイッチと、出力スイッチのスイッチング位置を制御する制御ユニットと、出力スイッチの実際のスイッチング位置の監視のために制御ユニットにより使用される手段とを備えた安全スイッチング装置に関する。

この様な安全スイッチング装置は、例えば、下記特許文献１に開示されている。
従来の安全スイッチング装置は、特に、業界において、大型ブレーキプレス、ＣＮＣ制御マシーニングセンタ、ロボットなどの電気駆動装置の少なくとも一部を確実な方法で接続解除するために利用されている。典型的な応用として、監視扉の開放、光バリアの解除、緊急解除スイッチの作動の際の装置の接続解除がある。この様な信号送信装置からの信号は、従来の安全スイッチング装置に供給され、安全スイッチング装置は、それに応答して対応する装置または装置の一部を接続解除する。この場合、実際の接続解除プロセス、すなわち、装置への電源供給の遮断が極めて確実な方法で実行されなければならない。そうでなければ、オペレータの健康あるいは生命までも危険にさらされるからである。したがって、従来の安全スイッチング装置は、本質的なフェイルセイフ機能に対する特定の最低要件を満足している場合のみ、例えばドイツの業界団体（ＢＧ）などの関連規制組織により、その動作が認定される。一般的に、安全スイッチング装置は、その内部あるいは関連の信号送信装置内で故障や混乱が発生した場合でも、確実かつフェイルセイフな方法で装置の接続解除を行わなければならない。

したがって、少なくとも欧州規格ＥＮ９５４−１のカテゴリ３または対応する安全性規格を満足する装置やシステムのみが、本発明の意図する安全スイッチング装置と見なされる。
従来の安全スイッチング装置では、監視下の装置への電源供給を遮断可能な出力スイッチのスイッチング位置を、常に確実かつフェイルセイフな方法で監視しなければならない。その理由は、そうでなければ、出力スイッチの動作不良や混乱によって監視下の装置が危険で安全でない状態になるからである。現在まで久しく、リレーや接触素子などの電気機械スイッチング素子が、従来の安全スイッチング装置における出力スイッチに頻繁に使用されてきた。この様なスイッチング素子は、スイッチが開成された時に、スパークによってスイッチング接点に溶着する危険があることが知られている。この様な場合、出力スイッチはもはや開成されなくなり、壊滅的な結果となる。

最近になってから、半導体部品も、従来の安全スイッチング装置における出力スイッチとして使用されている。機械的接点は、この様な半導体部品に溶着することはないが、半導体部品を介したスイッチング経路が破壊されて短絡同様の状態を生じ、もはや開成されなくなる可能性がある。
下記特許文献１は、出力側の出力スイッチとして２つのリレーを備えた従来の安全スイッチング装置を開示している。２つのリレーの接続接点は、冗長性を達成して接続解除の信頼性を向上するために、公知の方法で直列に接続されている。２つのリレーは、それぞれ、例えば、３相接続の３相全てが接続解除されるような２以上の接続接点を有する。さらに、２つのリレーは、それぞれ、機械的リンクを介して接続接点により能動的（強制的）に駆動される副次的な接点を有する。この機械的能動駆動動作により、接続接点のスイッチング位置を副次的接点のスイッチ位置に確実に対応させることができる。この様にして、副次的接点によって、接続接点のスイッチング位置を監視することができる。
国際公開第０１／３７３０２号パンフレット

前記の構成は、実際に広範に使用されており、非常に功を奏している。しかし、能動駆動接点を有するリレーは、基本的なリレーよりもかなり高価であるという欠点がある。さらに、能動駆動リレーは、基本的なリレーよりも大型で、保持力が弱い。
以上に鑑み、本発明の目的は、安全スイッチング装置において、フェイルセイフ機能と信頼性を損なうことなく、能動（強制）駆動リレーの使用を避けることができる代替構成を提供することにある。

本発明の目的は、冒頭に記載のタイプの安全スイッチング装置において、前記の手段が、ＲＦテスト信号を生成する高周波（ＲＦ）発生装置と、ＲＦテスト信号を出力スイッチに送信するために使用されるカップリング回路とを備えた安全スイッチング装置により達成される。
本発明に係る安全スイッチング装置では、出力スイッチのスイッチング位置は、実際に接続される負荷電流に加えて、出力スイッチを介して送信されるＲＦテスト信号により監視される。接続される負荷電流の周波数は、通常、非常に低い（１６ ２／３〜４００Ｈｚ）ため、公知のフィルタリング手段を用いて負荷電流から高周波信号を技術上非常に簡単に分離できるので、高周波信号は非常に適している。テスト信号の周波数は、２ＭＨｚ〜１００ＭＨｚの範囲であることが好ましい。一方、ここで用いるテスト信号は、電気信号であり、出力スイッチの通電スイッチング位置を特に良好に監視することができる。

本発明に係る安全スイッチング装置は、能動駆動リレーや接触素子を用いる必要がなく、製造コストを低減できるという利点がある。さらに、本発明に係る安全スイッチング装置は、より小型で、スペース要件が小さい。
さらに、本発明の方策によって、半導体部品のスイッチング位置も確実な方法で監視できるという利点がある。したがって、この装置の基本的なコンセプトは、次世代の安全スイッチング装置にも使用できる。

本発明の改良態様では、カップリング回路は、ＲＦ発生装置と前記少なくとも１つの出力スイッチとの間のＤＣ分離を提供する少なくとも１つの分離素子を備えている。
これによって、安全スイッチング装置の出力回路をフローティングで（固定接地電位を用いずに）実施することができ、安全性が向上し、本発明に係る装置の応用範囲が広がる。さらに、監視回路は、通常、低電圧／電流でのみ作動するので、監視装置に供給される高負荷電流に対して保護される。

更なる改良態様において、分離素子は、少なくとも１つのカップリングキャパシタを備えている。
この方策により、出力スイッチにおけるＤＣ短絡が防止され、装置の安全性が全体的に更に向上する。
更なる改良態様において、カップリングキャパシタは、印刷回路基板キャパシタンスを有する。

この方策により、個々の必要部品数を低減することができ、費用効果の高い製造が可能となる。さらに、本発明に係る装置は、更に小型であり、すなわち、スペース要件が小さい。
前記の方策の更なる改良態様において、印刷回路基板キャパシタンスは、少なくとも２層の印刷回路基板の異なる層上に配置された導体面を有する。

この方策は、不良カップリングキャパシタによる動作の混乱を前記の構成により確実に排除可能であるので、特に、安全スイッチング装置の意図する応用分野に関して非常に有利である。故障分析のために、関連規格により、従来の印刷回路基板の異なる層間の短絡に基づいて故障を排除することができる。したがって、安全スイッチング装置は、全体的に簡単で、安価である。

更なる改良態様において、カップリング回路は、少なくとも２つのカップリングキャパシタを備えている。
この方策により、本発明に係る装置の本質的なフェイルセイフ機能が向上する。したがって、特に、出力スイッチのＤＣ短絡が、更に確実に排除される。さらに、結果的に対称性が確保され、特に簡単かつ正確に出力スイッチのスイッチング位置を監視することができる。

本発明の更なる改良態様において、カップリング回路は、電気的共振回路を備えている。
この方策によって、影響パラメータの変化に対する公知の共振回路の感度の故に、簡単かつ特に厳密に出力スイッチを監視することができる。
前記の方策の更なる改良態様において、出力スイッチは、共振回路に埋め込まれている。

この方策は、出力スイッチのスイッチング位置を厳密に監視するための特に簡単な方法である。さらに、この構成は、モジュールを節約し、本発明に係る装置の製造コストを更に低減することができる。
更なる改良態様において、共振回路は、少なくとも１つのオーム抵抗と相互作用し、このオーム抵抗の電圧降下は、出力スイッチの実際のスイッチング位置の尺度となる。

共振回路に流れ込む電流は、前記のオーム抵抗を介して供給されることが好ましい。この方策によって、単純な閾値スイッチを用いて出力スイッチのスイッチング位置を決定することができる。この場合、公知の手段を用いて、オーム抵抗の電圧降下を非常に簡単かつ安価な方法で検出することができる。総合的に、本発明に係る装置の製造コストを更に低減できる。

更なる改良態様において、出力スイッチは、少なくとも１つの接続ターミナルに接続され、出力スイッチと接続ターミナルとの間に高周波（ＲＦ）フィルタが配置されている。
一方、この方策により、ＲＦテスト信号が安全スイッチング装置内部から外部に通過することを防止し、接続解除対象の装置に影響を与えることを防止する。他方、ＲＦテスト信号は、この様にして外部の影響から隔絶され、出力スイッチのスイッチング位置を監視する際の信頼性と検出精度が向上する。

もちろん、上記および下記の特徴は、本発明の範囲を逸脱することなく、各事例の組み合わせだけでなく、単独またはその他の組み合わせでも利用することができる。

図１において、出力スイッチのスイッチング位置のフェイルセイフ監視のための装置は、その全体が参照符号１０で示されている。
装置１０は、公知の方法で出力スイッチ１４のスイッチング位置を制御する制御ユニット１２を備えている。この場合、出力スイッチ１４は、リレー接点として示されている。しかし、装置１０の原理は、ＭＯＳトランジスタなどの半導体スイッチにも同様の方法で適用可能である。

参照番号１６は、ＲＦ発生装置を示し、このＲＦ発生装置は、図示されていないＲＦテスト信号（ＲＦ電圧やＲＦ電流）が出力スイッチ１４を介して供給されるように、ＤＣ分離素子１８を介して出力スイッチ１４に接続されている。
本発明の好適な実施形態によれば、分離素子１８は、２つのカップリングキャパシタ２０、２２を備えており、如何なる場合にも出力スイッチ１４におけるＤＣ短絡が防止される。

ＲＦ発生装置１６は、出力スイッチ１４のスイッチング位置の関数として、ＲＦテスト信号の変化を検出するセンサ素子（図示せず）を備えている。例えば、ＲＦ発生装置１６の共振周波数、カップリングキャパシタ２０、２２を流れるＲＦ電流、ＲＦ発生装置で発生する電力は、出力スイッチ１４のスイッチング位置の関数として変化する。検出された変化は、フィードバックライン２４を介して制御ユニット１２に伝達される。その結果、制御ユニット１２は、常に、出力スイッチ１４の実際のスイッチング位置と、選択された名目上のスイッチング位置とを比較し、出力スイッチ１４を監視することができる。制御ユニット１２は、出力スイッチ１４が切り換えられ、ライン２４での反応が期待値に対応しているかどうかを決定するためにチェックを行うことによって、全てのモジュールが適切に動作していることを自己テストの要領でチェックすることができる。

装置１０の原理を説明する目的で、参照番号２６は、負荷を概略的に示し、特別な用途において、この様な負荷は、例えば、接続解除対象の装置である。装置２６は、電源２８を介して電源供給を受け、出力スイッチ１４は、電源供給路３０に配置されている。この場合、電源２８は、図示のＤＣ電圧源の代わりにＡＣ電圧源であってもよい。
図２は、２つのカップリングキャパシタ２０、２２の好適な実施形態を示し、同一の参照番号を用いて図１と同様の素子を示している。

装置１０の回路部品は、公知の方法で印刷回路基板４０上に配置されている。この場合、ＲＦ発生装置１６や（この場合、ＩＣとして示されている）制御ユニット１２などの回路部材は、導体配線４２を介して相互接続されている。２つのカップリングキャパシタ２０、２２は、ここでは２層の印刷回路基板４０の異なる層上に配置されている導体面４４、４６によって形成されている。金属導体面４４、４６の間には印刷回路基板４０のプラスティック材料が存在し、キャパシタンスは、当業者にとって類推容易な方法で形成されている。装置１０内での故障の原因を分析する場合、前記の装置は、カップリングキャパシタ２０、２２の一方または両方の電気的短絡の可能性を排除する。この様な故障は、既存の関連規格に基づいて排除される。

図３において、本発明に係る安全スイッチング装置の実施例は、その全体が参照番号５０により示されている。この場合、これは、コンパクトで完全動作可能なユニットとして一般的に流通している、いわゆる安全スイッチング装置である。しかし、本発明は、安全スイッチング装置に限定されず、より複雑なプログラム可能な安全制御装置にも適用可能である。

この安全スイッチング装置５０は、公知の方法で装置ハウジング５２内にコンパクトなユニットとして内蔵されている。複数の接続ターミナル（例示として、このうちの３つを参照番号５４、５６、５８で示す）は、公知の方法でハウジング５２の外面に設けられている。接続ターミナル５４は、電源２８の１つの相に接続されている。接続ターミナル５６は、接続解除対象の装置２６に接続されている。出力スイッチ１４が直列に配置されている電源供給路３０は、接続ターミナル５４と５６の間に設けられている。

ここでは、安全スイッチング装置５０の図示は、明瞭にするために単純化されている。実際には、通常、装置２６が接続解除された時に冗長性を確保するために、直列に相互接続された２つの出力スイッチ１４が電源供給路３０に存在する。さらに、本発明に係る安全スイッチング装置５０は、通常、更に複数の出力スイッチを有し、これらの出力スイッチは、出力スイッチ１４および対応する接続ターミナル５４、５６に並列に配列されており、これにより電源２８の更に複数の相を接続できる。この様な改良は、それ自体公知であり、ここでは詳述を省略する。

緊急解除スイッチ６０は、公知の方法で接続ターミナル５８に接続されている。一般的に、緊急解除スイッチは、ここに記載の安全スイッチング装置により多チャンネル評価されるので、図３に単純化して示されている。
この安全スイッチング装置５０は、以下のような内部デザインを有する。
制御ユニット１２は、公知の方法でリレー６４により電流を接続したり接続解除したりするスイッチ６２を備えている。出力スイッチ１４は、リレー６４の接続接点の１つであるので、制御ユニット１２は、スイッチ６２によって出力スイッチ１４のスイッチング位置を制御可能である。しかし、代替の実施例においては、リレー６４の代わりに半導体部品を出力スイッチとして用いてもよい。

出力スイッチ１４は、図１を参照して既に説明した方法で、ＲＦ発生装置１６に接続されている。この場合、分離素子は、２つのカップリングキャパシタ２０、２２に加えて変圧器６６を備え、そのインダクタンスは、カップリングキャパシタ２０、２２と共に共振回路６８を構成する。ＲＦ発生装置は、本実施例においては８ＭＨｚの市販のＲＦ発振器であり、この図において参照番号７０で示すＲＦテスト信号を発生する。ＲＦ発生装置１６には、抵抗７２を介して動作電圧が供給される。動作電圧を安定化、平滑化するために、キャパシタ７４をＲＦ発生装置１６に並列に配置されている。

抵抗７２に並列に配置されているのは、閾値スイッチ７６で、抵抗７２の電圧降下を参照値と比較する。閾値スイッチ７６の出力信号は、フィードバックライン２４を介して制御ユニット１２に供給される。
コイル８０と共にＬＣフィルタ８２を構成する更なるキャパシタは、参照番号７８で示されている。ＬＣフィルタ８２は、出力スイッチ１４と接続ターミナル５４との間に配置されている。出力スイッチ１４と接続ターミナル５６との間にも、同様の第２のＬＣフィルタ８４が配置されている。２つのＬＣフィルタ８２、８４は、出力スイッチ１４と直列に配列される更なる冗長スイッチング接点を取り囲むクランプを構成している。

安全スイッチング装置５０は、以下のように動作する。
安全スイッチング装置５０が動作中の時、出力スイッチ１４は閉成されて、装置２６が電源２８に接続される。したがって、装置２６は動作中となる。
開成された出力スイッチ１４は、約１ｐＦ程度のキャパシタンスを示す。出力スイッチ１４が開成されると、カップリングキャパシタ２０、２２のキャパシタンスが約１００ｐＦになるので、このキャパシタンスが共振回路６８の共振周波数を本質的に決定する。共振回路６８の共振周波数は、このスイッチング位置においてＲＦ発生装置１６の所望の周波数に対応する。

出力スイッチ１４が閉成されると、その有効キャパシタンスが変化し、共振回路６８の誤同調を引き起こす。
その代わり、これは、変圧器６６を介してＲＦ発生装置１６に影響を及ぼし、さらに、抵抗７２の電圧降下が変化する結果となる。変化した電圧降下は、閾値スイッチ７６によって検出され、制御ユニット１２に伝達される。これによって、制御ユニット１２は、出力スイッチ１４の実際のスイッチング位置を意図する所望の位置と比較することができる。結果的に、これにより出力スイッチ１４のスイッチング位置を監視することができる。

図３に示す安全スイッチング装置５０の回路は、実際のテストに特に有効であることが証明されている。もちろん、本発明の基本的な原則には、その他の変形回路構成も含めることができる。

本発明に係る安全スイッチング装置で使用する構成の基本的な回路図を示す。 図１に示す基本的な回路図でも使用されるカップリングキャパシタの好適な実施形態を示す。 本発明に係る安全スイッチング装置の詳細図を示す。

Claims (6)

1. 電気負荷（２６）を安全に接続解除するための安全スイッチング装置であって、
   少なくとも２つのスイッチング位置を有する、外部電源供給路（３０）を遮断するための少なくとも１つの出力スイッチ（１４）と、前記出力スイッチ（１４）のスイッチング位置を制御する制御ユニット（１２）と、前記出力スイッチ（１４）の実際のスイッチング位置の監視のために前記制御ユニット（１２）により使用される手段（１０；１６，２４，６８，７２，７６）とを備え、
   前記の手段が、ＲＦテスト信号を生成するＲＦ発生装置（１６）と、電気的共振回路（６８）を備えたカップリング回路（１８；６８）とを有し、前記出力スイッチ（１４）は前記電気的共振回路（６８）の共振周波数を本質的に決定するものであり、
   前記カップリング回路（１８；６８）が、前記ＲＦ発生装置（１６）と前記出力スイッチ（１４）との間のＤＣ分離を提供するための２つのカップリングキャパシタ（２０，２２）を備え、前記２つのカップリングキャパシタ（２０，２２）は、それらの一端が前記出力スイッチ（１４）の両端にそれぞれ接続されるとともに、それらの他端が前記ＲＦ発生装置（１６）に接続されるものであり、
   前記ＲＦテスト信号は、前記出力スイッチ（１４）に送信されることを特徴とする安全スイッチング装置。
2. 前記カップリングキャパシタ（２０，２２）が、印刷回路基板キャパシタンスを有することを特徴とする請求項１に記載の安全スイッチング装置。
3. 前記印刷回路基板キャパシタンスが、少なくとも２層を有する印刷回路基板（４０）の異なる層上に配置された導体面（４４，４６）を有することを特徴とする請求項２に記載の安全スイッチング装置。
4. 前記電気的共振回路（６８）が、少なくとも１つのオーム抵抗（７２）と相互作用し、このオーム抵抗の電圧降下が、前記出力スイッチ（１４）の実際のスイッチング位置の尺度となることを特徴とする請求項１ないし３の何れか１項に記載の安全スイッチング装置。
5. 前記出力スイッチ（１４）が、少なくとも１つの接続ターミナル（５４，５６）に接続され、前記出力スイッチ（１４）と前記接続ターミナル（５４，５６）との間にＲＦフィルタ（８２，８４）が配置されていることを特徴とする請求項１ないし４の何れか１項に記載の安全スイッチング装置。
6. 前記出力スイッチ（１４）の開閉は、前記電気的共振回路（６８）の同調、又は誤同調の状態を引き起こすものである請求項１ないし５の何れか１項に記載の安全スイッチング装置。

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