JP5018590B2 - 速度検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータの回転速度などを検出する速度検出装置に関し、更に詳しくは、各種機械と作業者とが共存する生産現場や各種のプラント設備などにおいて、各種機械を駆動するモータなどの回転速度を検出するのに好適な速度検出装置に関する。

従来、工作機械や産業用ロボットなどの各種機械と作業者とが共存する生産現場などにおける安全を確保するために、種々の安全システムが提案されており、例えば、工作機械や産業用ロボットなどの各種機械の駆動源となるモータの停止を監視し、停止が確認されたときに、前記各種機械の作業領域の出入口のドアを開くことできるようにするシステムが提案されており（例えば、特許文献１参照）、このようなシステムでは、モータの回転速度を検出し、モータが停止したことを検知する必要がある。

また、産業用ロボットに近づいて位置教示等のティーチングを行うような場合にも、その駆動源であるモータの回転速度を検出し、産業用ロボットが低速で動作していることを監視する必要がある。

かかるモータの回転速度を検出する装置として、例えば、歯車やドクなどの凹凸状の外周面を有する回転体を、モータに連動する回転軸に取り付け、この回転体の外周面の凹凸をセンサで検出して、回転パルスとして監視する装置があるが、センサに故障が発生した場合には、回転体の回転状態を検出できなくなる。

センサの故障を監視するため、センサを複数取り付け、センサへの電圧供給源を定期的に遮断し、センサの出力信号の電位差を検出するようにしたものがある（例えば、特許文献２参照）。
特許第３３４４９３１号公報 特開平１０−２１３２９１号公報

特許文献２の監視装置は、ドアやカバー等の保護用の覆いの開閉位置を監視するものであって、回転速度を検出するものではなく、また、上述のような安全システムでは、センサの故障に限らず、各種の異常を検知することが望まれる。

本発明は、上述のような点に鑑みてなされたものであって、回転速度を検出するとともに、各種の異常を検知できるようにすることを目的とする。

（１）本発明の速度検出装置は、回転体の回転をそれぞれ検出する少なくとも二つのセンサからの検出パルスに基づいて、回転速度を検出する速度検出装置であって、前記両センサからの検出パルスの周波数を比較して異常診断を行い、前記回転体の外周面には、円周方向に沿って凹凸が形成されるとともに、前記凹部の円周方向に沿う長さが、前記凸部の円周方向に沿う長さよりも短く形成され、前記両センサは、凹部において出力をオフ、凸部において出力をオンするものであり、かつ、前記回転体が停止しているときには前記両センサの少なくとも一方のセンサの出力がオンするように前記回転体の外周側にそれぞれ設置されるものであり、前記回転体が停止して、前記両センサの出力がオンの状態において、一方のセンサへの電源供給を遮断したときの該一方のセンサの出力に基づいて、異常を検知する検知手段、および、前記回転体が停止しているときの前記両センサの出力に基づいて、異常を検知する検知手段の少なくともいずれか一方の検知手段を備えるものである。

本発明の速度検出装置によると、回転体の回転速度を検出できるとともに、両センサからの検出パルスの周波数を比較することによって、異常の有無を診断することができる。
また、両センサの出力がオンの状態において、一方のセンサへの電源供給を遮断したときの該一方のセンサの出力に基づいて、両センサ間の短絡を検知することができ、また、回転体が停止しているときの前記両センサの出力が共にオフしているときには、センサの脱落やセンサの出力線の断線といった異常を検知することができる。

（２）本発明の速度検出装置の一つの実施形態では、前記両検出パルスの周波数が一致しなかったときに、異常と判定するとともに、その周波数の不一致が、低周波数側または高周波数側のいずれの側で生じたかに応じて、前記異常を区分するようにしてもよい。

二つのセンサは、同一の回転体の回転を検出するので、正常であれば、両センサの検出パルスの周波数は一致することになり、検出パルスの周波数が一致しなかったときは、異常と判定することができる。

また、両センサの内の一方のセンサに、例えば、設置不良や配線ミスなどの設置時に異常があったような場合には、低周波数側で両センサの検出パルスに不一致が生じる一方、稼動中に、例えば、センサの検出性能以上の回転体の高速回転が生じて、センサの応答が追従できなかったり、センサに故障が生じたような場合には、高周波数側で両センサの検出パルスに不一致が生じる。

低周波数側と高周波数側との境界は、予め設定してもよいし、ユーザが、アプリケーションなどに応じて任意に設定できるようにしてもよい。

この境界は、上述のように、センサ等の設置時の異常に起因する検出パルスの周波数の不一致と、設置後の稼動中の異常に起因する検出パルスの周波数の不一致とを区分できるように設定するのが好ましい。また、この境界を、例えば、ユーザが、安全な低速の回転速度である考える周波数としてもよい。

この実施形態によると、異常を判定できるとともに、例えば、センサの設置不良や配線ミスなどの低周波数側で生じる異常であるか、例えば、高速回転によってセンサの応答が追従できないといった高周波数側で生じる異常であるかを区分できることになる。

（３）上記（２）の実施形態では、異常と判定されたときに、その異常を前記区分に応じて通報する通報手段を備えるようにしてもよい。

この実施形態によると、異常が生じたときには、低周波数側で生じた異常であるのか、高周波数側で生じた異常であるのかが通報されることになり、ユーザは、例えば、センサの設置不良や配線ミスなどの低周波数側で生じる異常であるか、例えば、高速回転によってセンサの応答が追従できないといった高周波数側で生じる異常であるかを把握できることになり、異常を容易に特定することができる。

（４）本発明の速度検出装置の一つの実施形態では、前記両センサへの電源供給ラインの電流値に基づいて、異常を検知する検知手段、および、前記検出パルスの周波数と許容速度に対応する閾値とを比較して異常を検知する検知手段の少なくともいずれか一方の検知手段を備えるようにしてもよい。

この実施形態によると、両センサへの電源供給ラインの電流値に基づいて、電源ラインの断線やセンサの未接続といった異常を検知することができ、また、検出パルスの周波数と許容速度に対応する閾値との比較によって、オーバースピードといった異常を検知することができる。

（６）上記（１）または（４）の実施形態では、前記検知手段のいずれかで検知された異常を通報する通報手段を備えるようにしてもよい。

この実施形態によると、検知手段によって検知される各種の異常を通報するので、ユーザが、異常を特定するのが容易になる。

（７）本発明の他の実施形態では、前記回転体は、モータの回転に連動して回転するものであり、前記検出パルスに基づいて検出される回転速度が、閾値以下になったときに、安全速度検知出力を与えるものである。

この実施形態によると、モータの回転速度が閾値以下の低速になったときの安全速度検知出力に基づいて、例えば、ユーザは、モータによって駆動される工作機械の動作が低速となってその近辺での作業が可能になったことを知ることができる。

（８）本発明の更に他の実施形態では、前記安全速度検知出力が、前記モータによって駆動される機械が設置された作業領域内へ出入りするためのドアに設けられた電磁ロック式のドアスイッチへのロック解除信号である。

この実施形態では、モータの回転速度が閾値以下になってモータの停止が検知されると、安全であるとして、ドアスイッチへのロック解除信号が出力されてロックが解除され、作業者が、モータによって駆動される機械が設置された作業領域内へ入ることが可能となる。

本発明の他の実施形態として、通常運転モードとメンテナンスモードとのモード切替えを可能とし、通常運転モードでは、上記のようにモータの停止を検知したときに、ロック解除信号を出力する一方、メンテナンスモードでは、モータの回転が低速になったことを検知したときに、ロック解除信号を出力してドアスイッチのロックを解除し、低速状態の時のみ作業者が作業領域内に入ってメンテナンス作業を行えるようにしてもよい。このメンテナンス作業時には、イネーブルスイッチを併用するのが好ましい。

本発明によれば、回転体の回転速度を検出できるとともに、両センサからの検出パルスの周波数の比較結果に基づいて、異常の有無を診断することができる。

以下、図面によって本発明の実施の形態について詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施形態に係る速度検出装置としての速度検知ユニットを備える安全システムの概略構成図である。

この安全システムは、三相交流の電源１と、該電源１に接続されて図示しない工作機械を駆動する三相のモータ２と、該モータ２の回転速度を検出して、回転速度が閾値以下になったときには、モータ２が停止したと判定し、安全速度検知信号としてのロック解除信号を出力する速度検出装置としての速度検知ユニット３と、モータ２および前記工作機械が配置された作業領域の出入口のドアに設置されて、速度検知ユニット３からのロック解除信号が与えられる電磁ロック式のドアスイッチ４とを備えている。

速度検知ユニット３は、ドアスイッチ４の出力に基づいて、ドアが閉止されていることを条件に、図示しない起動停止スイッチの操作に応じて、モータ２への電源の投入遮断を行うための二重化されたマグネットコンタクタ５，６の接点のオンオフを制御する。

モータ２および工作機械が設置された作業領域は、安全柵等で囲まれて区画されており、この安全柵には、作業領域への出入り口となる上述のドアが設置され、このドアに、電磁ロック式のドアスイッチ４が取付けられている。このドアスイッチ４は、例えば、スイッチ本体が、ドアの固定枠側に取り付けられ、スイッチ本体の開口部に挿抜される操作キーが、ドアの可動部側に取り付けられ、ドアを閉止して、操作キーがスイッチ本体の開口部に挿入されると、機械的にロックがかかり、ドアの開放を禁止する。また、速度検知ユニット３から安全速度検知信号であるロック解除信号がドアスイッチ４に与えられると、ソレノイドが動作することにより、ロックが解除されてドアの開放が可能となって、作業者の作業領域への進入が許可される。

このドアスイッチ４は、速度検知ユニット３に対して、ドアが閉止されている状態では、工作機械の駆動を許容する安全側の安全出力を与える一方、ドア４が開放されている状態では、工作機械の駆動を禁止する危険側の安全出力を与える。

この実施形態の速度検知ユニット３は、マイコンを搭載しており、ドアスイッチ４からの安全入力に基づいて、プログラムに従って、マグネットコンタクタ５，６の接点のオンオフを制御するものであり、ドアスイッチ４からの安全入力が、安全側であることを条件に、図示しない起動スイッチの操作に応じて、マグネットコンタクタ５，６の接点をオンしてモータ２に電源を供給する一方、ドアスイッチ４からの安全入力が、危険側であるときには、マグネットコンタクタ５，６の接点をオフしてモータ２への電源を遮断する。

この実施の形態の速度検知ユニット３は、モータ２の回転軸７に取り付けられた回転体８の回転を検出する第１，第２の近接センサ９，１０からの検出パルスに基づいて、モータ２の回転速度を検出するとともに、後述のように速度検出における異常の診断を行うものである。

回転体８は、図２に示すように、その外周面に、凹凸が円周方向に沿って形成されている。この凹凸は、凹部８ａの円周方向に沿う長さが、凸部８ｂの円周方向に沿う長さよりも短く形成されている。

各近接センサ９，１０は、回転体８の外周側にそれぞれ設置され、回転体８の凸部８ｂが対向するときには、オン（ハイレベル）の出力を与える一方、回転体の凹部８ａが対向するときには、オフ（ローレベル）の出力を与える。

このように凸部８ｂでオン、凹部８ａでオフの出力が得られるのであれば、近接センサ９，１０が、回転体８の外周側に設置されれば充分であり、回転体８に対する近接センサ９，１０の向きや傾きなどの制約はない。

また、各近接センサ９，１０は、回転体８が停止しているときには両近接センサ９，１０の少なくとも一方の近接センサの出力がオンするように設置されている。すなわち、正常な状態において、回転体８が停止しているときには、両近接センサ９，１０の少なくともいずれか一方の出力は、オンとなり、両近接センサ９，１０の出力が、共にオフとなることはない。

正常な状態において、モータ２に連動する回転体８が低速で回転すると、第１，第２の近接センサ９，１０からは、図３（ａ），（ｂ）に示される低周波数の検出パルスが出力され、回転体８が高速で回転すると、第１，第２の近接センサ９，１０からは、図４（ａ），（ｂ）に示される高周波数の検出パルスが出力される。

図５は、速度検知ユニット３の要部のブロック図であり、図１に対応する部分には、同一の参照符号を付す。この実施の形態の速度検知ユニット３は、ドアスイッチ４の入力が与えられるドアスイッチ入力部１１と、第１，第２の近接センサ９，１０の出力が与えられる回転検知入力部１２と、ドアスイッチ入力部１１からの入力に基づいて、ドアが閉止されたことを条件に、プログラムに従って、マグネットコンタクタ５，６の接点をオンするための安全瞬時出力を、安全瞬時出力部１３，１４を介してそれぞれ出力する一方、回転検知入力部１２からの検出パルスに基づいて、後述のように異常診断を行うとともに、モータ２の回転速度が閾値以下なったときには、モータ２が停止したと判定して、安全速度検知出力部１５を介してドアスイッチ４に対して安全速度検知信号としてロック解除信号を出力する制御部１６とを備えている。

制御部１６は、図６に示すように、第１，第２のＣＰＵ１７，１８を備えており、各ＣＰＵ１７，１８には、第１，第２の近接センサ９，１０の出力が、信号入力端子２０，２１および上述の回転検知入力部１２を介してそれぞれ与えられ、各ＣＰＵ１７，１８で同じ処理を実行して二重化している。なお、１９は各センサ９，１０に対して、電源出力端子２２，２３を介して電源を供給する電源出力部である。

図７は、この実施の形態の動作説明に供するフローチャートである。

第１，第２の近接センサ９，１０の入力に基づいて、回転検知入力の判定処理を実行する（ステップｎ１）。この処理では、先ず、入力のレベルを読み込み（ステップｎ２）、各近接センサ９，１０からの検出パルスの周波数を演算し（ステップｎ３）、周波数が一致したか否かを判定して（ステップｎ４）、異常診断を行う。ステップｎ４において、周波数が一致しているときには、正常であるとして後述の出力判定処理に移行する（ステップｎ５）。

正常な状態においては、上述の図３および図４に示されるように、低速回転時および高速回転時のいずれの時にも、第１，第２の近接センサ９，１０からの検出パルスの周波数が一致する。

出力判定処理では、図８に示すように、モータ２の回転速度が閾値以下であるか否かを判断し（ステップｎ５−１）、閾値以下であるときには、モータ２が停止したと判定して、安全速度検知信号であるロック解除信号をオンし（ステップｎ５−２）、閾値以下でないときには、安全検知信号をオフして終了する（ステップｎ５−３）。

再び、図７を参照して、ステップｎ４において、周波数が一致していない場合には、異常であるとして、その周波数の不一致が生じた周波数帯が、高周波数側であるか、低周波数側であるかを判断し（ステップｎ６）、低周波数側であるときには、低周波数側の異常であるとして、図９（ａ）に示すように、例えば、速度検知ユニット３に設けられている図示しない表示灯の１回点滅を行って、低周波数側の異常が生じたことを通報する。また、周波数の不一致が生じた周波数帯が、高周波数側であるときには、高周波数側の異常であるとして、図９（ｂ）に示すように、例えば、表示灯の２回点滅を行って、高周波数側の異常が生じたことを通報する。

ここで、低周波数側および高周波数側の異常について説明する。

例えば、設置時に一方の近接センサの出力が、停止検知ユニット３に接続されていなかったり、あるいは、一方の近接センサが設置不良を起こしていたりすると、試運転開始時に、例えば、図１０に示すように、低周波数側で両近接センサからの検出パルスの周波数が一致しないこととなる。

したがって、検出パルスの周波数の不一致が生じた周波数帯が、低周波数側であるときには、配線ミスなどの設置時の異常であることが分かる。

また例えば、稼働中に近接センサが故障したり、過剰なノイズにより近接センサが誤動作したり、モータの暴走により近接センサの検出性能以上の回転が発生し、近接センサの応答が追いつかなくなったりすると、近接センサからの検出パルスが正常にオンオフの状態を示さなくなるので、例えば、図１１に示すように、高周波数側で両近接センサからの検出パルスの周波数が一致しないことになる。

特に、近接センサが故障したり、高速回転によって、近接センサの応答が全く追いつかなくなる危険側（状態）において、両近接センサの出力が、共にオン（ハイレベル）の状態に固定されることになり、回転体が停止して両近接センサの出力が共にオンしている状態、すなわち、安全側（状態）であるモータの停止状態と区別できないことになる。この実施形態では、両近接センサの出力が、共にオンの状態に固定される前に、高周波数側での周波数の不一致から異常を検知することで、前記のような本来危険側（状態）である状態を、安全側（状態）と誤認する恐れを排除したものである。

このように検出パルスの周波数の不一致が生じた周波数帯が、高周波数側であるときには、近接センサの応答の異常などの設置後の異常であることが分かる。

以上のように周波数の不一致が、低周波数側または高周波数側のいずれの側で生じたかによって、速度検知ユニット側の設置・配線ミスなのか、あるいは、稼働後の近接センサの寿命や近接センサ周辺の外部環境の影響などの近接センサ側の異常なのかが区別できることになり、その区別に応じた通報を行うので、ユーザは、異常の原因の特定が容易となる。

（その他の実施形態）
上述の実施の形態では、異常を、低周波数側の異常と高周波数側との異常に区分して通報するようにしたけれども、本発明の他の実施の形態として、上述の制御部１６に、各種の異常をそれぞれ検知する次のような検知手段としての機能を追加してもよい。

第１,第２の近接センサ９，１０間の短絡故障を検知する検知手段を設けてもよい。この検知手段は、回転体８の回転が停止し、図１２（ａ），（ｂ）に示すように、第１，第２の近接センサ９，１０の出力が共にオンしている状態で、一方の近接センサ、例えば、第１の近接センサ９に対する電源の供給を、図１２（ｃ）に示すように遮断したときに、図１２（ａ）の実線で示すように、第１の近接センサ９の出力がオフしたときには、正常と判定し、図１２（ａ）の破線で示すように、第１の近接センサ９の出力がオンのままであるときには、第１，第２の近接センサ９，１０間の短絡故障であると判定するものである。

また、第１，第２の近接センサ９，１０と速度検知ユニット３との間の接続の異常を検知する検知手段を設けてもよい。この検知手段は、図１３に示すように、電源出力部１９から近接センサ、例えば、第１の近接センサ９への電源供給ラインに、ダイオードＤ、抵抗Ｒおよび電流監視回路２４を設け、第１の近接センサ９への一定値以上の電流が流れることを監視し、一定値以上の電流が流れていないときには、第１の近接センサ９の２４Ｖの電源入力線あるいはグランド線の断線、あるいは、速度検知ユニット３への第１の近接センサ９の未接続といった異常を検知することができる。

また、近接センサの設置不良などの異常を検知する検知手段を設けてもよい。この検知手段は、回転体８の回転が停止した状態では、上述の図２に示すように、両近接センサ９，１０の少なくともいずれか一方の出力は、オンとなり、両近接センサ９，１０の出力が、共にオフとなることはない。したがって、回転体８の回転が停止した状態で、両近接センサ９，１０の出力が、共にオフになっていないことを監視し、共にオフになっているときには、一方の近接センサが脱落しているといった設置不良、あるいは、近接センサの出力線が断線しているといった異常を検知することができる。

更に、検出できる周波数帯の上限を設けてオーバースピードを監視し、かかる上限に達するモータの回転を暴走として検知するようにしてもよい。

以上のような各検知手段を追加し、各検知手段で検知した異常を通報するようにしてもよい。

すなわち、図１４のフローチャートに示すように、低周波数側での周波数の不一致、入力間の短絡、センサの電流監視、両入力共にオフ、高周波数側での周波数の不一致、オーバースピードをそれぞれ検知し、対応する表示、例えば、個別的に対応する表示灯を点滅させるようにしてもよい。

なお、上述の各実施形態では、近接センサに適用して説明したけれども、本発明は、近接センサに限らず、光電センサ等の他のセンサに適用することができる。

本発明は、機械と作業者とが共存する生産現場などにおける機械の駆動源の回転速度を検出して安全を確保するのに有用である。

本発明の実施形態に係る速度検知ユニットを備える安全システムの概略構成図である。 回転体および近接センサの配置を示す図である。 低速回転時の検出パルスを示す図である。 高速回転時の検出パルスを示す図である。 速度検知ユニットのブロック図である。 図５の制御部の構成を示す図である。 動作説明に供するフローチャートである。 出力判定処理のフローチャートである。 異常の表示例を示す図である。 低周波数側での周波数の不一致を示す図である。 高周波数側での周波数の不一致を示す図である。 近接センサの短絡異常を説明するための図である。 近接センサへの電流の監視の構成を示す図である。 本発明の他の実施形態の異常検知処理のフローチャートである。

符号の説明

１ 電源
２ モータ
３ 速度検知ユニット（速度検出装置）
４ ドアスイッチ
８ 回転体
９，１０ 第１，第２の近接センサ

Claims (7)

1. 回転体の回転をそれぞれ検出する少なくとも二つのセンサからの検出パルスに基づいて、回転速度を検出する速度検出装置であって、
   前記両センサからの検出パルスの周波数を比較して異常診断を行い、
   前記回転体の外周面には、円周方向に沿って凹凸が形成されるとともに、前記凹部の円周方向に沿う長さが、前記凸部の円周方向に沿う長さよりも短く形成され、前記両センサは、凹部において出力をオフ、凸部において出力をオンするものであり、かつ、前記回転体が停止しているときには前記両センサの少なくとも一方のセンサの出力がオンするように前記回転体の外周側にそれぞれ設置されるものであり、
   前記回転体が停止して、前記両センサの出力がオンの状態において、一方のセンサへの電源供給を遮断したときの該一方のセンサの出力に基づいて、異常を検知する検知手段、および、前記回転体が停止しているときの前記両センサの出力に基づいて、異常を検知する検知手段の少なくともいずれか一方の検知手段を備えることを特徴とする速度検出装置。
2. 前記両検出パルスの周波数が一致しなかったときに、異常と判定するとともに、その周波数の不一致が、低周波数側または高周波数側のいずれの側で生じたかに応じて、前記異常を区分する請求項１に記載の速度検出装置。
3. 異常と判定されたときに、その異常を前記区分に応じて通報する通報手段を備える請求項２に記載の速度検出装置。
4. 前記両センサへの電源供給ラインの電流値に基づいて、異常を検知する検知手段、および、前記検出パルスの周波数と許容速度に対応する閾値とを比較して異常を検知する検知手段の少なくともいずれか一方の検知手段を備える請求項１〜３のいずれか一項に記載の速度検出装置。
5. 前記検知手段のいずれかで検知された異常を通報する通報手段を備える請求項１または４に記載の速度検出装置。
6. 前記回転体は、モータの回転に連動して回転するものであり、前記検出パルスに基づいて検出される回転速度が、閾値以下になったときに、安全速度検知出力を与える請求項１〜５のいずれか一項に記載の速度検出装置。
7. 前記安全速度検知出力が、前記モータによって駆動される機械が設置された作業領域内へ出入りするためのドアに設けられた電磁ロック式のドアスイッチへのロック解除信号である請求項６に記載の速度検出装置。

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