JP5683753B1

JP5683753B1 - ロボット制御装置の保護回路

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Publication number: JP5683753B1
Application number: JP2014520450A
Authority: JP
Inventors: 高文石川
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-11-21
Filing date: 2013-11-21
Publication date: 2015-03-11
Anticipated expiration: 2033-11-21
Also published as: WO2015075801A1; TWI513130B; DE112013007534T5; CN105794065A; US20160285254A1; US9728954B2; TW201521308A; JPWO2015075801A1

Abstract

交流電源１に接続された電源電圧入力端子１１から入力される電流の電流値が予め定められた閾値を上回った場合に当該電流を遮断する第一の電流遮断手段２１および電源電圧入力端子１１から入力される電圧の電圧値が予め定められた閾値を上回った場合に第一の電流遮断手段２１から出力される電流を遮断する第二の電流遮断手段を構成し、第一の電流遮断手段２１として、電源電圧入力端子１１から直流出力端子１３に向かう電流経路上に設けられる電流遮断素子４２および電流遮断素子４２を通過した電流をグラウンド側に引き込む抵抗４３を設ける。

Description

本発明は、ロボット制御装置の保護回路に関する。

ロボットを制御するためのロボット制御装置においては、各種の安全規格に適合することが要求される。入力電源の過電圧故障に対する対策もその要求の一つである。

従来、安全規格に適合するために電源回路に施す過電圧保護対策としては、
（１）第三者機関による安全認証を受けた電源製品を使用するか、または、
（２）第三者による安全認証を受けていない電源製品を使用し、当該電源製品に過電圧保護機能を追加するか、
の何れかの手法が採用される。

上記のうち、（１）の手法は、過電圧保護対策の実現手段としては容易であるが、第三者による安全認証を受けていない電源製品と比較して、購入価格が大幅に高くなるなどの課題がある。

一方、（２）の手法は、（１）の手法に比べてかなり安価に実現できる。このため、一般的には（２）の手法を施すことにより安全規格に適合させることが多くなる。

過電圧保護対策の実現手段として、例えば下記特許文献１には、誤って過大電圧が入力された場合にサージアブソーバがショートモードで壊れることによりヒューズが確実に溶断する過電圧保護回路が示されている。

また、下記特許文献２には、入力電圧が所定値以上となった場合、ツェナーダイオードのツェナー電圧を超過し、ツェナーダイオードが導通となることにより、サイリスタが短絡状態となり、電流ヒューズに過電流が流れ、この電流ヒューズが開放状態（溶断）になる過電圧保護回路が示されている。

特開２０１０−２６３７３４号公報特開平２−１７９２１９号公報

しかしながら、過電圧保護機能の追加については、当該過電圧保護機能が正常に働くか、部品等が故障しても、製品として安全性を確保できるか等を、安全認証において非常に厳しく評価をされることもあり、結果的に過剰な実現手段となりがちである。

また、特許文献１および特許文献２に開示された技術では、サージアブソーバもしくはツェナーダイオードが開放状態で故障した場合には、過電圧が入力されてもヒューズが溶断しない、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、安全認証に適合するのに十分な安全性を確保しつつ、簡易な回路構成にてロボット制御装置の保護回路を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、外部電源に接続された電源電圧入力端子と、前記電源電圧入力端子に接続され、前記電源電圧入力端子から入力される電流の電流値が予め定められた閾値を上回った場合に当該電流を遮断する第一の電流遮断手段と、前記第一の電流遮断手段の後段に設けられ、前記電源電圧入力端子から入力される電圧の電圧値が予め定められた閾値を上回った場合に前記第一の電流遮断手段から出力される電流を遮断する第二の電流遮断手段と、前記第二の電流遮断手段から直流電流が出力される直流出力端子と、備え、前記第一の電流遮断手段は、前記電源電圧入力端子から前記直流出力端子に向かう電流経路上に設けられる電流遮断素子と、前記電流遮断素子を通過した電流をグラウンド側に引き込む抵抗と、を備えて構成されることを特徴とする。

この発明によれば、安全認証に適合するのに十分な安全性を確保しつつ、簡易な回路構成にて実現できるという効果を奏する。

図１は、実施の形態に係るロボット制御装置の概略構成を示す図である。図２は、実施の形態に係る過電圧保護回路部のブロック図である。図３は、図２に示した過電圧保護回路部の一構成例を示す図である。

以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態に係るロボット制御装置の保護回路について詳細に説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。

実施の形態
図１は、実施の形態に係るロボット制御装置の概略構成を示す図である。制御装置４の外部にある交流電源１から交流電流が入力され、この交流電源１からの電力を使用して、制御装置４内の電力変換回路部１０により、制御装置４の負荷であるロボット５を駆動するための交流電流が生成されてロボット５に入力される。一方、制御装置４の外部にある直流電源２および３から、それぞれの直流電流が電源電圧入力端子１１を通じて入力され、制御装置４内の制御回路部１４の制御回路を駆動させる。

本実施の形態におけるロボット制御装置の保護回路を構成する過電圧保護回路部１２は、直流電源２および３と制御回路部１４との間に配置される。過電圧保護回路部１２は、直流電源２または３から入力される電圧の電圧値が、何らかの原因により予め定められた閾値を上回った場合（例えば過電圧状態になった場合）に、制御回路部１４内の部品が破損するのを防ぐために、直流電源２または３から入力される電流が、直流出力端子１３を介して制御回路部１４へ出力されないように遮断する。さらに、過電圧保護回路部１２は、直流電源２または３から入力される電流の電流値が、何らかの原因により予め定められた閾値を上回った場合（例えば過電流状態になった場合）に、制御回路部１４内の部品が破損するのを防ぐために、直流電源２または３から入力される電流が、直流出力端子１３を介して制御回路部１４へ出力されないように遮断する。

図２は、実施の形態に係る過電圧保護回路部１２のブロック図である。過電圧保護回路部１２は、第一の電流遮断手段２１，３１と、第一の電流遮断手段２１，３１のそれぞれ後段側に設けられる第二の電流遮断手段２４，３４とを備える。また、第二の電流遮断手段２４は、それぞれ第一のスイッチ２２および第二のスイッチ２３を備え、第二の電流遮断手段３４は、それぞれ第一のスイッチ３２および第二のスイッチ３３を備える。なお、本実施の形態において、第一の電流遮断手段３１は第一の電流遮断手段２１と同一の回路構成であり、また、第二の電流遮断手段３４を構成する第一のスイッチ３２および第二のスイッチ３３のそれぞれは、第二の電流遮断手段２４を構成する第一のスイッチ２２および第二のスイッチ２３と同一の回路構成であるが、それぞれが第一の電流遮断手段２１または第二の電流遮断手段２４と同じ機能を発揮するような別の回路構成としてもよい。

つぎに、第一の電流遮断手段２１ならびに、第二の電流遮断手段２４を構成する第一のスイッチ２２および第二のスイッチ２３の機能について説明する。なお、第一の電流遮断手段３１および第二の電流遮断手段３４の機能については、それぞれ第一の電流遮断手段２１および第二の電流遮断手段２４の機能と同一または同等であるため説明は省略する。

第一の電流遮断手段２１は、電源電圧入力端子１１から入力された電流が何らかの原因により予め定められた閾値を上回った場合（例えば過電流状態になった場合）には、電源電圧入力端子１１から入力された電流が第一のスイッチ２２から後の回路に流れないように遮断する機能を有する。

第一のスイッチ２２は、電源電圧入力端子１１から入力される電圧の電圧値が予め定められた閾値を上回った場合にはオンし、この閾値を下回っている場合にはオフになる。

第二のスイッチ２３は、第一のスイッチ２２と直流出力端子１３との間に接続される。ここで、電源電圧入力端子１１から入力される電圧の電圧値が予め定めた閾値を下回っている場合には、前述のとおり第一のスイッチ２２がオフすることにより第二のスイッチ２３がオンし、そのことにより直流出力端子１３から制御回路部１４へ直流電圧が出力される。

一方、電源電圧入力端子１１から入力される電圧の電圧値が、何らかの原因により予め定められた閾値を上回った場合（例えば過電圧状態になった場合）には、前述のとおり第一のスイッチ２２がオンすることにより第二のスイッチ２３がオフし、そのことにより直流出力端子１３から制御回路部１４へ直流電圧が出力されなくなる。

図３は、図２に示した過電圧保護回路部１２の一構成例を示す図であり、過電圧保護回路部１２のうちの第一の電流遮断手段２１、第一のスイッチ２２および第二のスイッチ２３の回路構成を例示している。

第一の電流遮断手段２１における電流遮断素子４２は、一端が電源電圧入力端子の正極端子４１に接続され、他端は第一のスイッチ２２の入力端に接続される。すなわち、電流遮断素子４２は、電源電圧入力端子１１から直流出力端子１３に向かう電流経路上に設けられている。電流遮断素子４２としては、例えばヒューズなどが用いられる。このヒューズに流れる電流値が予め定められた閾値を上回ると、ヒューズに過電流が流れ、ヒューズが溶断して、第一のスイッチ２２より後の回路ブロックへ電流が流れないように電流が遮断される。

また、第一の電流遮断手段２１における抵抗４３は、一端が電流遮断素子４２の他端に接続され、他端はグラウンドに接続される。この抵抗４３は、電流遮断素子４２を通過した電流をグラウンド側に引き込むように動作する。

ここで、電源電圧入力端子１１から電圧が入力されている間において、一端が電流遮断素子４２に接続され、他端が接地されている抵抗４３には、常時電流が流れている。電流遮断素子４２が遮断するときの電流値を決める閾値は、電源電圧入力端子１１から入力される電圧の電圧値が予め定められた閾値を下回っている場合において抵抗４３に流れる電流よりも大きい値となるように設計している。このため、電源電圧入力端子１１から入力される電圧の電圧値がこの閾値を下回っている場合には、電流遮断素子４２によって電流が遮断されることはない。

第一のスイッチ２２には、例えばツェナーダイオード４４などが用いられる。ここで、電源電圧入力端子１１から入力された電圧の電圧値が予め定められた閾値を下回っている場合には、ツェナーダイオード４４は導通しない。よって、第二のスイッチ２３における第一のトランジスタ４５はオフしたままである。このとき、第二のスイッチ２３における第二のトランジスタ４７のベースに対して、電源電圧入力端子１１からベース電流が供給され、第二のトランジスタ４７がオンする。第二のトランジスタ４７がオンすると、第二のスイッチ２３における第三のトランジスタ４６のベース電流が第三のトランジスタ４６自身のコレクタ電流として流れることにより、第三のトランジスタ４６がオンする。以上より、電源電圧入力端子１１から入力された電圧が、直流出力端子１３から制御回路部１４に対して出力される。

一方、電源電圧入力端子１１から入力された電圧が、予め定められた閾値を上回った場合（過電圧状態になった場合）、すなわち、制御回路を保護すべき電圧を超えた場合には、ツェナーダイオード４４が導通する。ツェナーダイオード４４が導通すると、第二のスイッチ２３における第一のトランジスタ４５のベース電流が流れるため、第一のトランジスタ４５がオンする。第一のトランジスタ４５がオンすると、第二のスイッチ２３における第二のトランジスタ４７のベース、エミッタ間の電圧が上昇しないため、第二のトランジスタ４７のベース電流が流れず、第二のトランジスタ４７がオフする。そのことにより、第三のトランジスタ４６のベース電流が流れなくなるため、第三のトランジスタ４６もオフする。その結果、直流出力端子１３から制御回路部１４に対して電圧が出力されなくなり、過電圧保護回路部１２による過電圧保護機能が発揮されたことになる。すなわち、本実施の形態におけるロボット制御装置の保護回路として動作する過電圧保護回路部１２により、ロボット制御装置の制御回路部１４は過電圧状態から保護される。

以上の動作は、ツェナーダイオード４４が故障していないときの動作である。つぎに、ツェナーダイオード４４が故障しているときの動作、具体的には開放状態および短絡状態で故障しているときの動作について説明する。

まず、ツェナーダイオード４４が開放状態で故障している状態において、電源電圧入力端子１１から入力された電圧が上昇して過電圧状態になり、予め定められた閾値を上回った場合には、抵抗４３に流れる電流は、オームの法則にしたがって増加する。この電流値が、予め定められた閾値、すなわち電流遮断素子４２の溶断電流を上回ったとき、電流遮断素子４２自身によって電流遮断素子４２に流れる電流が遮断される。その結果、メイントランジスタである第三のトランジスタ４６がオンしているか、オフしているかに関わらず、直流出力端子１３から制御回路部１４に対して電圧が出力されなくなり、過電圧保護回路部１２による過電圧保護機能が発揮されたことになる。すなわち、本実施の形態におけるロボット制御装置の保護回路として動作する過電圧保護回路部１２により、ロボット制御装置の制御回路部１４は過電圧状態から保護される。

また、ツェナーダイオード４４が短絡状態で故障している場合には、電源電圧入力端子１１から入力される電圧値が予め定められた閾値を上回った場合（過電圧状態になった場合）と同じように第二のスイッチ２３が動作する。したがって、ツェナーダイオード４４が短絡状態で故障している状態においては、電源電圧入力端子１１から入力される電圧が、この閾値を下回っているか上回っているかに関わらず、直流出力端子１３から制御回路部１４に対して電圧が出力されなくなる。

したがって、第一のスイッチ２２、すなわちツェナーダイオード４４が開放状態で故障した場合、短絡状態で故障した場合に関わらず、電源電圧入力端子１１から入力される電圧が予め定められた閾値を上回った場合（過電圧状態になった場合）には、直流出力端子１３から制御回路部１４に対して電圧が出力されなくなり、制御回路部１４が過電圧から保護され、ロボット制御装置の安全性をより高めることができる。

以上説明したように、本実施の形態に係るロボット制御装置の保護回路によれば、外部電源に接続された電源電圧入力端子から入力される電流の電流値が予め定められた閾値を上回った場合に当該電流を遮断する第一の電流遮断手段と、電源電圧入力端子から入力される電圧の電圧値が予め定められた閾値を上回った場合に第一の電流遮断手段から出力される電流を遮断する第二の電流遮断手段と、を構成し、第一の電流遮断手段として、電源電圧入力端子から直流出力端子に向かう電流経路上に設けられる電流遮断素子と、電流遮断素子を通過した電流をグラウンド側に引き込む抵抗と、を備えることとしたので、第三者による安全認証を受けていない電源製品を使用する場合であっても、安全認証に適合するのに十分な安全性を確保したロボット制御装置の保護回路を実現することが可能となる。

なお、抵抗４３の抵抗値は、第一のスイッチが開放状態で故障し、かつ電源電圧入力端子から入力される電圧値が予め定められた閾値を上回った場合には、電流遮断素子が電源電圧入力端子から入力される電流を遮断するのに十分な電流が当該電流遮断素子に流れ、電源電圧入力端子から入力される電圧値が予め定められた閾値以下である場合には、電流遮断素子が電流を遮断しない抵抗値に設定されていることが好ましい。このような抵抗値に設定することにより、簡易な回路構成にてロボット制御装置の保護回路を実現することが可能となる。

なお、以上の実施の形態に示した構成は、本発明の構成の一例であり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは言うまでもない。

以上のように、本発明は、安全認証に適合するのに十分な安全性を確保しつつ、かつ必要最小限の回路構成からなるロボット制御装置の保護回路として有用である。

１交流電源、２直流電源、４制御装置、５ロボット、１１電源電圧入力端子、１２過電圧保護回路部、１３直流出力端子、１４制御回路部、２１，３１第一の電流遮断手段、２４，３４第二の電流遮断手段、２２，３２第一のスイッチ、２３，３３第二のスイッチ、４１正極端子、４２電流遮断素子、４４ツェナーダイオード、４５第一のトランジスタ、４６第三のトランジスタ、４７第二のトランジスタ。

Claims

外部電源に接続された電源電圧入力端子と、
前記電源電圧入力端子に接続され、前記電源電圧入力端子から入力される電流の電流値が予め定められた閾値を上回った場合に当該電流を遮断する第一の電流遮断手段と、
前記第一の電流遮断手段の後段に設けられ、前記電源電圧入力端子から入力される電圧の電圧値が予め定められた閾値を上回った場合に前記第一の電流遮断手段から出力される電流を遮断する第二の電流遮断手段と、
前記第二の電流遮断手段から直流電流が出力される直流出力端子と、
を備え、
前記第二の電流遮断手段は、
前記電源電圧入力端子から入力される電圧値が予め定められた閾値を上回った場合にオンする第一のスイッチと、
前記第一のスイッチの後段に設けられ、前記第一のスイッチがオンした場合にオフして前記直流出力端子から出力される電流を遮断する第二のスイッチと、
を備えたことを特徴とするロボット制御装置の保護回路。
前記第一の電流遮断手段は、
前記電源電圧入力端子から前記直流出力端子に向かう電流経路上に設けられる電流遮断素子と、
前記電流遮断素子を通過した電流をグラウンド側に引き込む抵抗と、
を備えて構成されることを特徴とする請求項１に記載のロボット制御装置の保護回路。
前記電流遮断素子は、前記第一の電流遮断手段に流れる電流が予め定められた閾値を上回った場合に自己に流れる電流を遮断することにより前記直流出力端子から出力される電流を遮断することを特徴とする請求項２に記載のロボット制御装置の保護回路。
前記抵抗は、前記第一のスイッチが開放状態で故障し、かつ前記電源電圧入力端子から入力される電圧値が予め定められた閾値を上回った場合には、前記電流遮断素子が前記電源電圧入力端子から入力される電流を遮断するのに十分な電流が当該電流遮断素子に流れ、前記電源電圧入力端子から入力される電圧値が予め定められた閾値以下である場合には、前記電流遮断素子が電流を遮断しない抵抗値に設定されていることを特徴とする請求項２または３に記載のロボット制御装置の保護回路。
前記第二のスイッチは、
前記第一のスイッチに接続され、前記第一のスイッチによりオンまたはオフに制御される第一のトランジスタと、
前記第一のトランジスタのコレクタ端子と接続され、前記第一のトランジスタによりオンまたはオフに制御される第二のトランジスタと、
前記第二のトランジスタのコレクタ端子と接続され、前記第二のトランジスタによりオンまたはオフに制御される第三のトランジスタと、
を備え、
前記第一のスイッチがオンした場合に前記第一のトランジスタがオンし、前記第一のトランジスタがオンすることにより前記第二のトランジスタがオフし、前記第二のトランジスタがオフすることにより前記第三のトランジスタがオフし、前記直流出力端子からの直流電流出力をオフする回路構成となっている
ことを特徴とする請求項２から４の何れか１項に記載のロボット制御装置の保護回路。
外部電源に接続された電源電圧入力端子と、
前記電源電圧入力端子に接続され、前記電源電圧入力端子から入力される電流の電流値が予め定められた閾値を上回った場合に当該電流を遮断する第一の電流遮断手段と、
前記第一の電流遮断手段の後段に設けられ、前記電源電圧入力端子から入力される電圧の電圧値が予め定められた閾値を上回った場合に前記第一の電流遮断手段から出力される電流を遮断する第二の電流遮断手段と、
前記第二の電流遮断手段から直流電流が出力される直流出力端子と、
を備え、
前記第一の電流遮断手段は、
前記電源電圧入力端子から前記直流出力端子に向かう電流経路上に設けられる電流遮断素子と、
前記電流遮断素子を通過した電流をグラウンド側に引き込む抵抗と、
を備え、
前記第二の電流遮断手段は、
前記電源電圧入力端子から入力される電圧値が予め定められた閾値を上回った場合にオンする第一のスイッチを備え、
前記抵抗は、前記第一のスイッチが開放状態で故障し、かつ前記電源電圧入力端子から入力される電圧値が予め定められた閾値を上回った場合には、前記電流遮断素子が前記電源電圧入力端子から入力される電流を遮断するのに十分な電流が当該電流遮断素子に流れ、前記電源電圧入力端子から入力される電圧値が予め定められた閾値以下である場合には、前記電流遮断素子が電流を遮断しない抵抗値に設定されている
ことを特徴とするロボット制御装置の保護回路。
前記第二の電流遮断手段は、前記第一のスイッチの後段に設けられ、前記第一のスイッチがオンした場合にオフして前記直流出力端子から出力される電流を遮断する第二のスイッチを備えたことを特徴とする請求項６に記載のロボット制御装置の保護回路。
前記電流遮断素子は、前記第一の電流遮断手段に流れる電流が予め定められた閾値を上回った場合に自己に流れる電流を遮断することにより前記直流出力端子から出力される電流を遮断することを特徴とする請求項６に記載のロボット制御装置の保護回路。
前記第二のスイッチは、
前記第一のスイッチに接続され、前記第一のスイッチによりオンまたはオフに制御される第一のトランジスタと、
前記第一のトランジスタのコレクタ端子と接続され、前記第一のトランジスタによりオンまたはオフに制御される第二のトランジスタと、
前記第二のトランジスタのコレクタ端子と接続され、前記第二のトランジスタによりオンまたはオフに制御される第三のトランジスタと、
を備え、
前記第一のスイッチがオンした場合に前記第一のトランジスタがオンし、前記第一のトランジスタがオンすることにより前記第二のトランジスタがオフし、前記第二のトランジスタがオフすることにより前記第三のトランジスタがオフし、前記直流出力端子からの直流電流出力をオフする回路構成となっている
ことを特徴とする請求項７に記載のロボット制御装置の保護回路。