JP5217888B2 - 駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、電源から負荷に電力供給する駆動装置に関するものである。

欧州や北米を含め、ＩＳＯ／ＩＥＣ規格などにより安全の規格化、法制化が進み、設備機械はその危険性のレベルにより、一層の安全性を要求されるようになってきた。そして、設備機械の安全制御には専用の安全リレーが使用されることが多い。安全リレーは、複数のリレーにより構成され、そのうち１つのリレーにおいて接点の溶着などの不具合が生じた場合でも、その他の接点がオフ状態に維持されることを機械的な安全機構によって保証するリレーのことである。現在では、安全ＰＬＣを用いて構成される安全システムにおいて、電力を出力する出力モジュールなどに広く用いられている。例えば、特開平１１−１６２３１７号公報（特許文献１）には、安全リレーを用いたリレー装置が開示されている。

このような複数のリレーにより構成される安全リレーは、設備機械のターミナルなどの負荷に電力供給をオンオフするスイッチとして機能している。そして、安全リレーをオン状態にして、電源から負荷へと電力供給を開始すると、安全リレーの回路内に定常電流よりも大きな突入電流が流れる。この突入電流により、複数のリレーのうちいずれかのリレーの接点において、アーク放電が発生することがある。このアーク放電が繰り返し発生することで、リレーの接点に溶着やロッキングなどの不具合が生じ、修理などのコストが掛かると共に、設備機械が停止し生産性が低下することがあった。

そのため、安全リレーの回路内では、リレーの接点の形状や材質を変更することでリレーの耐久性を高め、アーク放電が発生しても溶着やロッキングなどが生じないように対策していた。しかし、このような対策をすることで、リレーのコストアップや大型化が懸念されている。その他に、例えば、特開２００６−１５５９１５号公報には、アーク放電の発生を防止する構造を持つリレーから優先的にオフ状態にすることでアーク放電の発生を抑制するリレー装置が開示されている。また、特開２００８−１２３７１９号公報には、オンオフ時の電圧を制御することでアーク放電の発生を抑制するハイブリッドリレーが開示されている。
特開平１１−１６２３１７号公報 特開２００６−１５５９１５号公報 特開２００８−１２３７１９号公報

しかし、このような対策を施しても設備機械や使用する電源などの環境により、アーク放電の発生を十分に防止できない場合がある。これにより、安全リレーを構成する複数のリレーのいずれかのリレーの接点に溶着やロッキングなどの不具合が生じるおそれがあった。また、どのリレーで不具合が生じたのか特定しにくいためメンテナンス性に欠け、復旧に時間とコストがかかっていた。さらに、アーク放電の発生を防止する構成や電圧を制御する構成を含む場合には、安全リレー全体としてコストアップや大型化するおそれがある。

本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、メインスイッチにアーク放電が発生することを防止し、安全リレーなどの機械的な安全機構のコストダウンおよび小型化を図ると共に、電源から負荷へ電力供給可能な駆動装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、請求項１に記載の発明の構成上の特徴は、
電源とグランドの間である電路に設けられた負荷へ電力供給をする駆動装置であって、
前記電路に直列に設けられ、負荷と直列に接続され、制御信号に応じて相互に等しく開閉する複数のメインスイッチと、
前記負荷と並列に接続され、前記メインスイッチが開状態の場合に非励磁状態となり、前記メインスイッチが閉状態の場合に励磁状態となり、前記負荷のインピーダンスよりも大きなインピーダンスに設定されている第一のコイルと、
前記負荷と直列に接続され且つ前記第一のコイルに並列に接続され、前記第一のコイルが励磁状態の場合に閉状態となり、前記第一のコイルが非励磁状態の場合に開状態となる第一のスイッチと、
を備えることである。

請求項２に記載の発明の構成上の特徴は、請求項１において、
さらに、前記負荷が設けられる前記電路と異なる前記電路に設けられ、前記制御信号が出力されている場合に励磁状態となることで前記メインスイッチを閉状態とし、前記制御信号が出力されていない場合に非励磁状態となることで前記メインスイッチを開状態とするメインコイルを備えることである。

請求項３に記載の発明の構成上の特徴は、請求項２において、
前記メインスイッチと前記メインコイルとによりメインリレーを構成し、
前記第一のスイッチと前記第一のコイルとにより第一のリレーを構成し、
前記第一のリレーは、前記メインリレーよりも耐久性が高いリレーに設定していることである。
上記の課題を解決するため、請求項４に記載の発明の構成上の特徴は、
電源とグランドの間である電路に設けられた負荷へ電力供給をする駆動装置であって、
前記電路に設けられ、負荷と直列に接続され、制御信号に応じて開閉するメインスイッチと、
前記負荷と並列に接続され、前記メインスイッチが開状態の場合に非励磁状態となり、前記メインスイッチが閉状態の場合に励磁状態となり、前記負荷のインピーダンスよりも大きなインピーダンスに設定されている第一のコイルと、
前記負荷と直列に接続され且つ前記第一のコイルに並列に接続され、前記第一のコイルが励磁状態の場合に閉状態となり、前記第一のコイルが非励磁状態の場合に開状態となる第一のスイッチと、
前記負荷が設けられる前記電路と異なる前記電路に設けられ、前記制御信号が出力されている場合に励磁状態となることで前記メインスイッチを閉状態とし、前記制御信号が出力されていない場合に非励磁状態となることで前記メインスイッチを開状態とするメインコイルと、
を備え、
前記メインスイッチと前記メインコイルとによりメインリレーを構成し、
前記第一のスイッチと前記第一のコイルとにより第一のリレーを構成し、
前記第一のリレーは、前記メインリレーよりも耐久性が高いリレーに設定していることである。

請求項５に記載の発明の構成上の特徴は、請求項３または４において、
前記第一のコイルは、前記メインコイルよりも等しい電流値に対して強い電磁力が発生するコイルに設定していることである。

請求項６に記載の発明の構成上の特徴は、請求項３〜５の何れか一項において、
前記第一のスイッチは、前記開状態で接点を前記第一のスイッチにおける初期位置方向に復帰する第一のバネを有し、
前記メインスイッチは、前記開状態で接点を前記メインスイッチにおける初期位置方向に復帰するメインバネを有し、
前記第一のバネは、前記メインバネよりもバネ定数が大きいバネに設定していることである。

請求項１に係る発明によると、メインスイッチの開閉状態に連動して第一のスイッチが開閉し、負荷への電力供給がオンオフされる構成となっている。詳細には、メインスイッチが閉状態となった後に第一のコイルが所定の電磁力を発生させるまでの間、第一のスイッチは開状態を維持する。その後、第一のコイルが所定の電磁力を発生させた瞬間に、第一のスイッチが閉状態となる。このように、メインスイッチが閉状態になった時に対して、負荷へ電力供給が開始されるタイミングを一定時間だけ遅延させることができる。これにより、電力供給が開始される直前において、電気的に最後に接続される箇所が第一のスイッチの接点となる。

そして、メインスイッチが閉状態となる瞬間には、第一のコイルに電流が流れる状態となるが、第一のスイッチが開状態であるため負荷には電流が流れない。その後、第一のスイッチが閉状態となる瞬間には、第一のコイルおよび負荷に電流が流れる状態となる。ここで、第一のコイルのインピーダンスは負荷のインピーダンスよりも大きく設定されている。従って、メインスイッチが閉状態となる瞬間に流れる電流は、第一のスイッチが閉状態となる瞬間に流れる電流よりも小さくなる。当然に、メインスイッチが閉状態となる瞬間に流れる突入電流も、第一のスイッチが閉状態となる瞬間に流れる突入電流よりも小さくなる。

そのため、メインスイッチの接点と第一のスイッチの接点とにおいて、アーク放電が発生する可能性が高い方は、第一のスイッチの接点となる。このように、メインスイッチと第一のスイッチを備える駆動装置において、アーク放電が発生する場合には、第一のスイッチの接点とすることができる。つまり、アーク放電により溶着などが発生して故障するスイッチは、メインスイッチではなく、第一のスイッチとなる。そして、メインスイッチがどのような構成であっても、アーク放電による故障は第一のスイッチとなる。従って、メインスイッチを交換することなく、第一のスイッチを交換することで、簡易に復旧することができる。

さらに、電源から負荷へと電源供給が開始される場合において、メインスイッチの接点にアーク放電が発生することを大幅に抑制することができる。よって、メインスイッチについて、アーク放電に係る対策を減らし、負荷が必要とする定常電流に対する必要最小限の構成とすることで、メインスイッチのコストダウンや小型化を図ることができる。

さらに、駆動装置は、複数のメインスイッチを直列に接続し、同一の制御信号に応じて相互に等しく電力供給を開閉するように多重化された構成となっている。このような場合には、同型のメインスイッチであっても、配置箇所や個体差などに起因して、アーク放電がどのメインスイッチの接点で発生するか特定することは困難である。そのため、従来は、アーク放電によりメインスイッチの何れかの接点が溶着などを生じたとしても、全てのメインスイッチを交換する必要があった。

しかし、本発明によれば、全てのメインスイッチが閉状態となって初めて第一のスイッチが遅延して閉状態となるため、アーク放電が発生する場合には、第一のスイッチの接点にすることができる。従って、アーク放電により溶着などが生じる可能性があるのは、第一のスイッチとなる。つまり、第一のスイッチを交換することで足り、メインスイッチを何ら交換する必要はない。従来、複数のメインスイッチ全てを交換していたのに対して、第一のスイッチのみを交換すればよいため、メンテナンスコストの大幅な低減が可能となる。

請求項２に係る発明によると、電源とグランドの間である電路であり且つ負荷が設けられた電路とは異なる電路にメインコイルが設けられる構成となっている。そして、このメインコイルが制御信号によって励磁状態と非励磁状態となることでメインスイッチの閉状態と開状態とを切換えるので、メインコイルが設けられた電路よりも負荷が設けられた電路に大きな電流を流すことができる。換言すれば、メインコイルに供給する小さい電力によって、メインスイッチを開閉することができる。さらに、このような回路構成とすることで、負荷が設けられる電路には、大きな突入電流が流れる可能性が高くなる。つまり、アーク放電が発生しやすくなる。このような場合であっても、第一のスイッチでアーク放電が発生するようにしているため、メインスイッチの低コスト化を図ることができ、且つ、メンテナンス性を向上することができる。

請求項３および請求項４に係る発明によると、アーク放電が発生する可能性が高い第一のスイッチを構成に含む第一のリレーの耐久性を、メインリレーの耐久性に比べて高く設定した構成となっている。従来、特に複数のメインリレーを設ける場合には、アーク放電が発生する箇所を特定できなかったため、全体にアーク放電に係る対策を施す場合があった。しかし、本発明によれば、アーク放電が発生する箇所を第一のリレーの第一のスイッチとすることができるため、第一のリレーをメインリレーに比べて高耐久性に設定することで、駆動装置としてアーク放電に対する耐久性が高くなり、全体の故障率を低下できる。よって、メインスイッチの故障に起因して設備機械が停止し生産性が低下することを防ぐことができる。

請求項５に係る発明によると、高耐久性の駆動装置を実現できる。つまり、第一のリレーは、第一のコイルが発生する強い電磁力により第一のスイッチの接点を当接させることができる。また、第一のコイルは、負荷が設けられた電路上であるため、第一のコイルは強い電磁力を発生するコイルに設定することができる。

請求項６に係る発明によると、高耐久性の駆動装置を実現できる。つまり、第一のリレーは、バネ定数が大きいバネにより第一のスイッチの接点を初期位置の方向に復帰させることができる。これにより、第一のスイッチにアーク放電が繰り返し発生し、接点同士が溶着した場合であっても、溶着が軽度であればバネの復帰力により剥離させることができる。

実施形態の駆動装置を用いた安全システム１について図１，２を参照して説明する。図１は、検知装置付きの駆動装置４を用いた安全システム１の構成図である。図２は、メインリレー１１ａ（１１ｂ）と検知スイッチＳ１−２（Ｓ２−２）との関係を示す模式図であり、図２（ａ）は、制御信号が出力されていない場合の模式図であり、図２（ｂ）は、制御信号が出力されている場合の模式図である。

安全システム１は、図１に示すように、電源２と、負荷３と、駆動装置４と、制御装置３０を主体として構成される。本実施形態において、電源２は、負荷３と制御装置３０に対して、例えば２４［Ｖ］の電圧で電力供給する直流電源である。負荷３は、工作機械などを含む設備機械のアクチュエータのターミナルである。駆動装置４は、メインリレーユニット１０ａ，１０ｂと、第一のリレー２０を備え、電源２から負荷３への電力供給のオンオフを切換えている。

メインリレーユニット１０ａ，１０ｂは、それぞれ同型のメインリレー１１ａ，１１ｂと、同型の検知回路４０ａ，４０ｂを有している。メインリレー１１ａ，１１ｂは、後述する制御回路３２から出力される制御信号に応じてそれぞれ開閉する機械式リレーである。つまり、メインリレーユニット１０ａ，１０ｂは、全体として制御信号に応じて電源２から負荷３への電力供給を行うための、基準スイッチとなる。なお、制御回路３２から出力される制御信号は、電気信号である。検知回路４０ａ，４０ｂの詳細については、後述する。

メインリレー１１ａは、メインコイルＫ１とメインスイッチＳ１−１を有する機械式リレーである。メインコイルＫ１は、負荷３が設けられている電路とは異なる電路に設けられている。制御回路３２から制御信号が出力されることによって、このメインコイルＫ１に電力供給がされると、メインコイルＫ１は励磁状態となり電磁力を発生する。また、制御回路３２から制御信号が出力されていない状態であれば、メインコイルＫ１への電力供給が切断され、メインコイルＫ１は、非励磁状態となり電磁力を発生しない。

メインスイッチＳ１−１は、メインコイルＫ１が励磁状態となり電磁力を発生すると閉状態となり、メインコイルＫ１が非励磁状態となり電磁力を発生しないと開状態となる。具体的には、メインコイルＫ１が電磁力を発生すると、メインスイッチＳ１−１の接点がこの電磁力により接近する。その後、接点同士が当接することで、メインスイッチＳ１−１が閉状態となる。また、メインコイルＫ１に制御信号が出力されなくなり、メインコイルＫ１への電力供給が切断されると、メインコイルＫ１は電磁力を発生しなくなる。その後、メインスイッチＳ１−１の接点は、メインバネ（図示しない）の初期位置方向への反発力によって初期位置に復帰する。これにより、メインスイッチＳ１−１は開状態となる。このように、メインリレー１１ａは、制御信号の出力の有無によって、スイッチとして開閉状態を切換えられる。

また、メインスイッチＳ１−１は、負荷３が設けられている電路に設けられている。つまり、メインスイッチＳ１−１は、負荷３に直列に接続されている。具体的には、メインスイッチＳ１−１の一方の接点は電源２に接続され、メインスイッチＳ１−１の他方の接点は、もう一つのメインスイッチＳ２−１および第一のリレー２０の第一のスイッチ２２を介して、負荷３の正極端子に接続されている。一方、メインコイルＫ１は、負荷３が設けられている電路とは異なる電路に接続されている。

このように、メインコイルＫ１が設けられている電路と、メインスイッチＳ１−１が設けられている電路を異なる電路とすることで、比較的小さな電力で電源２から負荷３への電力供給を制御することができる。さらに、メインコイルＫ１が設けられている電路に流れる電流と、メインスイッチＳ１−１が設けられている電路に流れる電流とを異なるようにできる。従って、メインコイルＫ１および制御回路３２を含む電路に流れる電流を小さくし、且つ、負荷３が設けられている電路に流れる電流を大きくすることができる。

メインリレー１１ｂは、メインコイルＫ２とメインスイッチＳ２−１を有する機械式リレーである。このメインリレー１１ｂは、メインリレー１１ａと同型であるため、詳細な説明を省略する。メインリレー１１ｂのメインスイッチＳ２−１は、メインリレー１１ａのメインスイッチＳ１−１と直列に接続されている。具体的には、メインスイッチＳ２−１の一方の接点は、メインスイッチＳ１−１の他方の接点に接続され、他方の接点は、第一のリレー２０の第一のスイッチ２２を介して負荷３の正極端子に接続されている。

また、メインコイルＫ２は、制御回路３２からメインコイルＫ１に出力される制御信号と同一の制御信号に応じて、励磁状態となったり、非励磁状態となったりする。つまり、メインスイッチＳ２−１は、制御回路３２が出力する同一の制御信号に応じて、メインスイッチＳ１−１と相互に等しく開閉状態を切換える。具体的には、制御回路３２が制御信号を出力する場合には、メインスイッチＳ１−１，Ｓ２−１は共に閉状態となる。一方、制御回路３２が制御信号を出力していない場合には、メインスイッチＳ１−１，Ｓ２−１は共に開状態となる。つまり、駆動装置４は、２つのメインリレーユニット１０ａ，１０ｂにおけるメインリレー１１ａ，１１ｂのメインスイッチＳ１−１，Ｓ２−１を直列に接続して二重化されている。

第一のリレー２０は、第一のコイル２１と第一のスイッチ２２を有する機械式リレーである。第一のコイル２１は、負荷３に並列に接続され、メインスイッチＳ１−１，Ｓ２−１に直列に接続されている。より具体的には、第一のコイル２１の一端は、メインスイッチＳ２−１の他方の接点に接続され、且つ、負荷３の正極端子に接続されている。第一のコイル２１の他端は、グランドに接続され、且つ、負荷３の負極端子に接続されている。この第一のコイル２１は、メインリレーユニット１０ａ，１０ｂのメインスイッチＳ１−１，Ｓ２−１が閉状態に切換えられることで、電源２から電力供給がされる。そうすると、第一のコイル２１は、励磁状態となり電磁力を発生する。一方、第一のコイル２１は、メインリレーユニット１０ａ，１０ｂのメインスイッチＳ１−１，Ｓ２−１が開状態に切換えられることで、電源２からの電力供給が切断される。従って、第一のコイル２１は非励磁状態となり電磁力を発生しない。

第一のスイッチ２２は、第一のコイル２１に並列に接続され、且つ、負荷３に直列に接続されている。具体的には、第一のスイッチ２２の一方の接点は、第一のコイル２１の正極端子、および、メインスイッチＳ２−１の他方の接点に接続されている。第一のスイッチ２２の他方の接点は、負荷３の正極端子に接続されている。

この第一のスイッチ２２は、第一のコイル２１が励磁状態となり電磁力を発生すると閉状態となり、第一のコイル２１が非励磁状態となり電磁力を発生しないと開状態となる。具体的には、第一のコイル２１が電磁力を発生すると、第一のスイッチ２２の接点がこの電磁力により接近する。その後、接点同士が当接することで、第一のスイッチ２２が閉状態となる。そうすると、負荷３に直列に設けられているスイッチ全て、すなわちメインスイッチＳ１−１，Ｓ２−１および第一のスイッチ２２が閉状態となることで、電源２から負荷３へ電力供給がされる。また、第一のコイル２１への電力供給が切断されると、第一のコイル２１は電磁力を発生しなくなる。その後、第一のスイッチ２２の接点は、第一のバネ（図示しない）の初期位置方向への反発力によって初期位置に復帰する。これにより、電源２から負荷３に電力供給がされないオフ状態となる。

また、第一のコイル２１のインピーダンスは負荷３のインピーダンスよりも大きく設定されている。このことが、後述するように、アーク放電の発生箇所を、メインスイッチＳ１−１，Ｓ２−１ではなく、第一のスイッチ２２にすることができる。さらに、第一のコイル２１には、負荷３が動作するための比較的大きな電力が電源２から供給されている。

また、第一のコイル２１は、メインコイルＫ１，Ｋ２よりも、等しい電流値に対して強い電磁力が発生するコイルに設定されている。さらに、第一のスイッチ２２に用いられる第一のバネは、メインスイッチＳ１−１，Ｓ２−１に用いられるメインバネよりも、バネ定数が大きいバネに設定されている。つまり、第一のリレー２０は、メインリレー１１ａ，１１ｂよりも耐久性が高いリレーに設定されている。

制御装置３０は、電源回路３１と、制御回路３２と、判定回路３３とを有している。電源回路３１は、電源２から電力供給される直流電圧を制御回路３２へと安定的に供給している。制御回路３２は、電源回路３１から電力供給され、図示しない各センサなどからの情報および判定回路３３による判定結果に基づき、電源２から負荷３へと電力供給するべきかを判断し、制御している。この各センサは、例えば工作機械などの場合、緊急停止ボタンやライトカーテンなどが含まれる。例えば、緊急停止ボタンが押された場合またはライトカーテンにて物体を検知した場合には、制御回路３２は制御信号をメインコイルＫ１，Ｋ２へ出力しない。一方、緊急停止ボタンが押されていない場合またはライトカーテンにて物体を検知していない場合には、制御回路３２は制御信号をメインコイルＫ１，Ｋ２へ出力する。また、制御回路３２は、判定回路３３による判定結果により、メインリレーユニット１０ａ，１０ｂが正常に機能しているかを監視している。仮に、判定回路３３によりメインリレーユニット１０ａまたはメインリレーユニット１０ｂに異常があると判定された場合には、制御回路３２は、制御信号の出力を停止して、メインスイッチＳ１−１，Ｓ２−１を開状態とする。

判定回路３３は、制御回路３２が出力する制御信号と、後述する検知装置４０ａ，４０ｂの検知結果とに基づき、メインリレー１１ａ（１１ｂ）のメインスイッチＳ１−１（Ｓ２−１）に溶着やロッキングなどの不具合が発生していないか判定する。そして、判定回路３３は、この判定結果を制御回路３２へと出力する。

検知装置４０ａは、検知スイッチＳ１−２と、検知回路４１ａとを有している。検知スイッチＳ１−２の一方の接点は、電源回路３１に接続され、検知スイッチＳ１−２の他方の接点は、検知回路４１ａを介してグランドに接続されている。さらに、検知スイッチＳ１−２は、図２（ａ）（ｂ）に示すように、メインスイッチＳ１−１と連動するように物理的に繋げられている。具体的には、検知スイッチＳ１−２の一方の接点が、メインスイッチＳ１−１の他方の接点に連動する。図２（ａ）に示すように、メインコイルＫ１に制御信号が出力されていない場合には、メインスイッチＳ１−１は開状態となる。この時、検知スイッチＳ１−２は閉状態となるように設定されている。一方、図２（ｂ）に示すように、メインコイルＫ１に制御信号が出力されている場合には、メインスイッチＳ１−１は閉状態となる。この時、検知スイッチＳ１−２は開状態となる。

検知回路４１ａは、検知スイッチＳ１−２の開閉状態を検知するために、トランジスタ回路などにより構成されている。つまり、検知回路４１ａは、検知スイッチＳ１−２への信号の有無を計測し、計測結果を判定回路３３に出力している。なお、本実施形態において、検知装置４０ａは、検知回路４１ａにより検知スイッチＳ１−２の開閉状態を検知するものとしたが、その他に、メインスイッチＳ１−１または検知スイッチＳ１−２の開閉状態を検知可能な手段として、例えば、接触センサなどを用いることも可能である。

検知装置４０ｂは、検知スイッチＳ２−２と、検知回路４１ｂとを有している。検知装置４０ｂは、メインスイッチＳ２−１を対象とするもので、構成および作用については、検知装置４０ａと同様なので説明を省略する。

本実施形態の駆動装置４において、それぞれのメインリレーユニット１０ａ，１０ｂは、いわゆる安全リレーと称されるものである。詳細には、図２に示すように、安全リレーは、メインコイルＫ１（Ｋ２）と、メインスイッチＳ１−１（Ｓ２−１）と、メインスイッチＳ１−１（Ｓ２−１）に連動する検知スイッチＳ１−２（Ｓ２−２）と、制御回路３２と、判定回路３３とにより構成されるものを言う。つまり、制御回路３２がメインリレー１１ａ（１１ｂ）を制御することで負荷３への電力供給をオンオフすると共に、これらが正常に動作しているかを監視している。よって、いずれか１つのメインスイッチにおいて接点の溶着などの不具合が生じた場合でも、その他の接点が負荷３への電力供給をオフ状態に維持されることを保証する。また、この不具合が解消するまで負荷３への電力供給をオン状態にできないように制御している。このように、本実施形態では、安全リレーであるメインリレーユニット１０ａおよび１０ｂを直列に接続することにより二重化し、さらなる安全化を図っているものである。

次に、上述した安全システム１の基本的な動作について図３を参照して説明する。図３は、メインリレーユニット１０ａ，１０ｂが正常時の各部位における信号のタイミングチャートである。

電源２が負荷３へ電力供給をしていないオフ状態（時刻ｔ_０）において、制御装置３０はメインリレーユニット１０ａ，１０ｂに制御信号の出力を開始する。この時、位置Ｐにおける信号がＯＮとなる（時刻ｔ_１）。メインリレーユニット１０ａのメインコイルＫ１およびメインリレーユニット１０ｂのＫ２は、制御信号により励磁状態となり電磁力を発生する。この電磁力はメインバネの復帰力よりも強いため、メインスイッチＳ１−１，Ｓ２−１の接点は接近し、その後接点同士が当接する。つまり、メインスイッチＳ１−１，Ｓ２−１は、閉状態となる。

この時、メインスイッチＳ１−１，Ｓ２−１は閉状態となるが、負荷３に直列接続されている第一のスイッチ２２は開状態であるので、この段階では電力２から負荷３へ電力供給がされない。ただし、第一のスイッチ２２と並列接続されている第一のコイル２１には、メインスイッチＳ１−１，Ｓ２−１が閉状態となることで、電力供給がされる。

次に、第一のリレー２０の第一のコイル２１は、メインスイッチＳ１−１，Ｓ２−１の閉状態により電源２より電力供給がされ、励磁状態となることにより電磁力を発生する。この電磁力は第一のバネの復帰力よりも強いため、第一のスイッチ２２の接点は接近し、その後接点同士が当接する。つまり、第一のスイッチ２２が閉状態となる。その結果、電源２から負荷３へ電力供給がされる（時刻ｔ_２）。

ここで、第一のコイル２１の電力供給がされた時刻ｔ_１から、第一のコイル２１の電磁力により第一のスイッチ２２が閉状態となる時刻ｔ_２までには、僅かながら時間を要する。また、第一のコイル２１は、負荷３よりもインピーダンスが大きく設定されている。従って、時刻ｔ_１から時刻ｔ_２に達するまでの間は、負荷３が必要とする定常電流と比較して小さい電流が供給される。これにより、この段階において非常に大きな突入電流が流れることを防止している。そのため、メインスイッチＳ１−１およびＳ２−１の接点でアーク放電が発生する可能性は低い。

また、負荷３のインピーダンスは第一のコイル２１のインピーダンスより小さく設定されている。そのため、第一のスイッチ２２が閉状態となった瞬間ｔ_２に大きな突入電流が電源２から負荷３へと流れ、駆動装置４の回路内でアーク放電が発生する可能性がある。しかし、この時には既に閉状態となっているメインスイッチＳ１−１およびＳ２−１の接点ではアーク放電は発生しない。一方で、電気的に最後に接続された第一のスイッチ２２の接点では、アーク放電が発生しやすい状態となる。つまり、駆動装置４においてアーク放電が発生する場合には、第一のスイッチ２２の接点とすることができる。

メインスイッチＳ１−１，Ｓ２−１が閉状態となった場合に、第一のリレー２０は、電源２から負荷３へと電源供給が開始されるタイミングを一定時間だけ遅延させることができる。さらに、第一のコイル２１のインピーダンスを負荷３のインピーダンスより大きく設定している。これにより、アーク放電が発生する箇所を第一のスイッチ２２の接点に誘導し、メインスイッチＳ１−１，Ｓ２−１にアーク放電が発生することを防いでいる。よって、メインスイッチＳ１−１，Ｓ２−１について、アーク放電に係る対策を減らし、負荷３が必要とする定常電流に対する必要最小限の構成とすることで、メインスイッチＳ１−１，Ｓ２−１のコストダウンや小型化を図ることができる。また、この時の遅延時間（ｔ_２−ｔ_１）はリレーの特性に依存し、例えば、約５［ｍｓ］である。

また、メインリレーユニット１０ａ，１０ｂへの制御信号の出力が停止した場合には、メインコイルＫ１，Ｋ２が電磁力を発生しなくなる。よって、メインスイッチＳ１−１，Ｓ２−１の接点は、メインバネにより初期位置へと復帰し、開状態となる（時刻ｔ_３）。そして、いずれかのメインリレー１１ａ，１１ｂが開状態なった時点で、電源２から負荷３および第一のコイル２１への電力供給が停止する。そして、第一のコイル２１が電磁力を発生しなくなり、第一のスイッチ２２の接点は第一のバネにより初期位置へと復帰し、第一のスイッチ２２は開状態となる。（時刻ｔ_４）。

以上説明したように、アーク放電が発生する場合には、メインスイッチＳ１−１，Ｓ２−１ではなく、第一のリレー２０の第一のスイッチ２２で発生するようにすることができる。特に、本実施形態のように、駆動装置４が複数のメインリレーユニット１０ａ，１０ｂを有する構成とした場合に有効である。複数のメインリレーユニット１０ａ，１０ｂのメインリレー１１ａ，１１ｂが同型であっても、配置箇所や個体差などに起因して、アーク放電がどのメインリレー１１ａ，１１ｂの回路内で発生するか特定することができないので、全体にアーク放電の対策を施す必要がある。しかし、複数のメインリレーユニット１０ａ，１０ｂからなる構成であっても、本発明によればアーク放電が発生する箇所を第一のスイッチ２２の接点とすることができるため、アーク放電の対策が不要となる。これにより、メインリレーユニット１０ａ，１０ｂは、定常電流に対する必要最低限の構成とすることができ、コストダウンや小型化を図ることができる。

また、アーク放電が発生する箇所は第一のリレー２０とされるため、第一のリレー２０をメインリレー１１ａ，１１ｂに比べて高耐久性に設定することで、駆動装置４全体としてアーク放電に対する耐久性が高くなり、安全システム１の全体の故障率を低下できる。よって、メインリレーユニット１０ａまたはメインリレーユニット１０ｂの故障に起因して設備機械が停止し生産性が低下することを防ぐことができる。第一のリレー２０を高耐久性とする手段として、例えば、第一のコイル２１が大きな電磁力を発生するコイルに設定したり、第一のバネのバネ定数を大きいものに設定したりすることで実現できる。これにより、第一のスイッチ２２にアーク放電が繰り返し発生し、接点同士が溶着した場合であっても、溶着が軽度であればバネの復帰力により剥離させることができる。

また、本実施形態では、駆動装置４は、メインリレーユニット１０ａ，１０ｂがそれぞれ機械式リレーであるメインリレー１１ａ，１１ｂを有する構成とした。しかし、接点を持たない回路であっても突入電流によって不具合が生じる場合には本発明が有用である。また、メインリレーユニット１０ａ，１０ｂは電気信号である制御信号により、電力供給をオンオフするものとしたが、手動による場合でも本発明によれば、メインリレーユニット１０ａ，１０ｂの回路内にアーク放電が発生することを防止することができる。

ここで、本実施形態の安全システム１の駆動装置４について、図３，４を参照して、メインスイッチＳ１−１が故障した場合について説明する。図４は、メインスイッチＳ１−１が故障した時の各部位における信号のタイミングチャートである。

駆動装置４は、安全リレーである複数のメインリレーユニット１０ａ，１０ｂを備える。そして、メインリレーユニット１０ａ，１０ｂは、それぞれ機械式リレーであるメインリレー１１ａ，１１ｂを備える。つまり、駆動装置４は、メインリレー１１ａ，１１ｂのメインスイッチＳ１−１，Ｓ２−１が同一の制御信号に応じて相互に等しく開閉することで、二重化されている。そして、メインリレーユニット１０ａ，１０ｂと、そのメインリレー１１ａ，１１ｂが正常に動作しているかを検知する手段（検知装置４０ａ，４０ｂ）と、検知結果に基づき制御を行う手段（制御装置３０）とを備える。このような構成とすることで、いずれかのメインスイッチＳ１−１（Ｓ２−１）に不具合が生じた場合でも、異常を検知し、また、電源２から負荷３への電力供給をオフ状態にし、作業者の安全を確保するものである。

メインスイッチＳ１−１など各スイッチ素子が正常な場合には、それぞれの信号は図３のようなＯＮまたはＯＦＦとなる。ところで、上述したように、第一のリレー２０により、メインスイッチＳ１−１，Ｓ２−１にアーク放電が生じないようにできる。しかし、長期間の使用により、小さな電流であっても、メインスイッチＳ１−１，Ｓ２−１が劣化し、アーク放電が生じやすい状態となるおそれがある。このような場合について説明する。

図４の時刻ｔ_５において、メインスイッチＳ１−１がアーク放電の発生により接点が溶着してしまった場合を考える。その後、時刻ｔ_６を経過し、負荷３に電力供給がされ駆動している時刻ｔ_７では、位置Ｐの信号もＯＮであるため、検知スイッチＳ１−２，Ｓ２−２の信号と基づいて判定回路３３は、正常であると判断する。

しかし、時刻ｔ_８において、制御回路３２が制御信号の出力を停止したとしても、接点が溶着してしまったメインスイッチＳ１−１はＯＮが保持される。これにより、検知スイッチＳ１−２はＯＦＦの状態が保持される。検知回路４１ａは、検知スイッチＳ１−２のＯＦＦの状態を検知し、この検知結果に基づき制御装置３０の判定回路３３がメインリレーユニット１０ａに異常があると判定する。制御回路３２は、この判断結果に基づき、設備機械の緊急停止や作業者への通知などの安全措置をとる。

また、駆動装置４は上述したように、メインリレーユニット１０ａおよびメインリレーユニット１０ｂにより二重化されているので、時刻ｔ_８において、異常のないメインスイッチＳ２−１は信号がＯＦＦとなり、これに連動して検知スイッチＳ２−２はＯＮとなる。よって、時刻ｔ_９では、電源２からの電力供給が停止し、負荷３の駆動が停止すると共に、第一のスイッチ２２がＯＦＦの状態となる。

以上説明したように、本発明を用いた安全システム１は、制御装置３０が各センサなどの情報および検知装置４０ａ，４０ｂの検知結果に基づき負荷３への電力供給を制御し、アーク放電に対する耐久性の高い駆動装置４が制御信号に基づき電力供給をオンオフすることで、回路内で溶着などの不具合が生じた場合でも、その他の接点がオフ状態に維持されることを機械的な安全機構によって高水準に保証している。また、本実施形態では、駆動装置４は複数のメインリレーユニット１０ａ，１０ｂによって二重化したものとしたが、設備機械の危険性のレベルによっては、さらに多重化する場合や、メインリレーユニット１０ａを単体で使用するだけでも十分な場合もある。

その他、第一のリレー２０は、アーク放電がメインリレーユニット１０ａ，１０ｂの回路内で発生しないように自己の回路にアーク放電を誘導している。つまり、アーク放電により溶着などの不具合が生じる場合は、第一のリレー２０の回路内であることが予測される。よって、第一のリレー２０をユニット化し、容易に交換可能にすることでメンテナンス性を向上できる。また、第一のスイッチ２２に対して、メインスイッチＳ１−１，Ｓ２−１と同様に、溶着などが生じていないか検知する回路を設ける構成とすることで、安全システム１全体としての安全性およびメンテナンス性をより向上できる。

本実施形態においては、メインリレー１１ａ，１１ｂを構成するメインスイッチＳ１−１，Ｓ２−１を直列に２つ接続する構成としたが、３つ以上のメインスイッチを直列に接続してもよく、または、並列に接続してもよい。また、同一の制御信号に対してそれぞれのメインスイッチＳ１−１，Ｓ２−１が切換える開閉状態を論理演算して、全体として電力供給をオンオフする構成としてもよい。

駆動装置４を用いた安全システム１の構成図である。 メインリレー１１ａ（１１ｂ）と検知スイッチＳ１−２（Ｓ２−２）との関係を示す模式図であり、（ａ）は制御信号が出力されていない場合の模式図であり、（ｂ）は制御信号が出力されている場合の模式図である。 メインリレーユニット１０ａ，１０ｂが正常時の各部位における信号のタイミングチャートである。 メインスイッチＳ１−１が故障した時の各部位における信号のタイミングチャートである。

符号の説明

１：安全システム、 ２：電源、 ３：負荷、 ４：駆動装置
１０ａ，１０ｂ：メインリレーユニット、 １１ａ，１１ｂ：メインリレー
Ｋ１，Ｋ２：第二のコイル、 Ｓ１−１，Ｓ２−１：メインスイッチ
２０：第一のリレー、 ２１：第一のコイル、 ２２：第一のスイッチ
３０：制御装置、 ３１：電源回路、 ３２：制御回路、 ３３：判定回路
４０ａ，４０ｂ：検知装置、 ４１ａ，４１ｂ：検知回路
Ｓ１−２，Ｓ２−２：検知スイッチ

Claims (6)

1. 電源とグランドの間である電路に設けられた負荷へ電力供給をする駆動装置であって、
   前記電路に直列に設けられ、負荷と直列に接続され、制御信号に応じて相互に等しく開閉する複数のメインスイッチと、
   前記負荷と並列に接続され、前記メインスイッチが開状態の場合に非励磁状態となり、前記メインスイッチが閉状態の場合に励磁状態となり、前記負荷のインピーダンスよりも大きなインピーダンスに設定されている第一のコイルと、
   前記負荷と直列に接続され且つ前記第一のコイルに並列に接続され、前記第一のコイルが励磁状態の場合に閉状態となり、前記第一のコイルが非励磁状態の場合に開状態となる第一のスイッチと、
   を備えることを特徴とする駆動装置。
2. 請求項１において、
   さらに、前記負荷が設けられる前記電路と異なる前記電路に設けられ、前記制御信号が出力されている場合に励磁状態となることで前記メインスイッチを閉状態とし、前記制御信号が出力されていない場合に非励磁状態となることで前記メインスイッチを開状態とするメインコイルを備えることを特徴とする駆動装置。
3. 請求項２において、
   前記メインスイッチと前記メインコイルとによりメインリレーを構成し、
   前記第一のスイッチと前記第一のコイルとにより第一のリレーを構成し、
   前記第一のリレーは、前記メインリレーよりも耐久性が高いリレーに設定していることを特徴とする駆動装置。
4. 電源とグランドの間である電路に設けられた負荷へ電力供給をする駆動装置であって、
   前記電路に設けられ、負荷と直列に接続され、制御信号に応じて開閉するメインスイッチと、
   前記負荷と並列に接続され、前記メインスイッチが開状態の場合に非励磁状態となり、前記メインスイッチが閉状態の場合に励磁状態となり、前記負荷のインピーダンスよりも大きなインピーダンスに設定されている第一のコイルと、
   前記負荷と直列に接続され且つ前記第一のコイルに並列に接続され、前記第一のコイルが励磁状態の場合に閉状態となり、前記第一のコイルが非励磁状態の場合に開状態となる第一のスイッチと、
   前記負荷が設けられる前記電路と異なる前記電路に設けられ、前記制御信号が出力されている場合に励磁状態となることで前記メインスイッチを閉状態とし、前記制御信号が出力されていない場合に非励磁状態となることで前記メインスイッチを開状態とするメインコイルと、
   を備え、
   前記メインスイッチと前記メインコイルとによりメインリレーを構成し、
   前記第一のスイッチと前記第一のコイルとにより第一のリレーを構成し、
   前記第一のリレーは、前記メインリレーよりも耐久性が高いリレーに設定していることを特徴とする駆動装置。
5. 請求項３または４において、
   前記第一のコイルは、前記メインコイルよりも等しい電流値に対して強い電磁力が発生するコイルに設定していることを特徴とする駆動装置。
6. 請求項３〜５の何れか一項において、
   前記第一のスイッチは、前記開状態で接点を前記第一のスイッチにおける初期位置方向に復帰する第一のバネを有し、
   前記メインスイッチは、前記開状態で接点を前記メインスイッチにおける初期位置方向に復帰するメインバネを有し、
   前記第一のバネは、前記メインバネよりもバネ定数が大きいバネに設定していることを特徴とする駆動装置。

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