JP6655653B2 - 機械式作業設備の電気的保護装置 - Google Patents

Description

本発明は、電気的保護装置に関し、詳しくは機械式作業設備の電気的保護装置に関するものである。

コントローラは自動作業設備または機械設備の様々な作動、例えば加工、測量および輸送などを制御するものである。作動過程は旋転、移動および掴み取りなどの作業を含む。コントローラはプロブラムまたは指令によって様々な工程および作業を執行する。

コントローラが稼働する際、電力エネルギーは周囲および環境の設備、電力線の反応、雷および電源に接触し、サージを発生させる。サージは電源流路に沿ってコントローラへ進み、コントローラまたは端末負荷を損壊させてしまう。

サージによる機器の損壊を防ぐために、通常はコントローラ内部の電子部品の応答に対応する保護回路または保護装置を設計する。しかしながらこの方式はコントローラ内部のすべての電子部品を反応させる条件を全般的に考慮することが必要である。また規格が同じ電子部品でもパラメータの誤差が生じて応答性に影響を与えることがあるため、保護装置の設計は簡単ではない。

一方、機械式作業設備は内部空間が限られるため、保護回路を配置する空間が狭くて小さい。従って狭くて小さい空間に適切な保護装置を配置する方式を探ることは業界が解決したい課題である。

特開昭５９−１９４６２１号公報 特開２００７−３０６７８９号公報 特開２０１０−２１３４８７号公報 特開２０１７−１２７９４８号公報 特表平１０−５０７３３９号公報 実開昭６３−８１６３５号公報 実開平３−１２７９０３号公報 登録実用新案第３２１１４６１号公報 米国特許出願公開第２００５／０２５９３７３号明細書 米国特許出願公開第２０１４／０１８５１７２号明細書 国際公開第２０１１／１０４９２２号

本発明は、機械式作業設備のシステム内の電子部品の応答状態を考慮する必要なく、サージによる機器の損壊を効果的に避けることができる電気的保護装置を提供することを主な目的とする。

上述した課題を解決するため、電気的保護装置は機械式作業設備に用いられ、回路基板、前段保護回路および後段保護回路を備える。前段保護回路および後段保護回路は回路基板に形成される。前段保護回路は電源およびコントローラの前段に接続され、電気的保護条件に従って作動する。電源のサージエネルギーが電気的保護条件を超えた場合、前段保護回路はサージエネルギーがコントローラへ流れることを阻止する。後段保護回路は前段保護回路およびコントローラの後段に接続される。サージエネルギーが発生した場合、後段保護回路の応答速度は前段保護回路の応答速度より遅い。

上述した技術手段により、本発明による電気的保護装置は前段保護回路および後段保護回路を備え、サージエネルギーが発生した時に後段保護回路の応答を遅延させるものであるため、前段保護回路より応答が速い電子部品が配置してあるコントローラまたは負荷を考慮する必要なく、保護回路を簡単化し、サージエネルギーを効果的に遮断することができる。

本発明による電気的保護装置を示すブロック図である。 本発明の一実施形態による電気的保護装置を示す回路図である。 本発明の別の一実施形態による電気的保護装置を示す回路図である。 本発明の別の一実施形態による電気的保護装置を示す回路図である。 本発明の別の一実施形態による電気的保護装置を示す回路図である。

本発明による電気的保護装置は機械式作業設備、例えばロボット、電動グリッパ、スライドレールなどに適用される。以下、本発明による電気的保護装置を図面に基づいて説明する。

（一実施形態）
図１に示すように、本発明の一実施形態による電気的保護装置１０は電源に生じたサージエネルギーがコントローラ２０または機械式作業設備の内部の電子部品を損壊させてしまうことを避けるため、コントローラ２０および電源３０に接続される。機械式作業設備において、執行装置、即ち負荷４０は電動グリッパおよびスライドレールなどである。

図１および図２に示すように、コントローラ２０はコンバータ２１、プロセッサー２３およびフォトリレー２５を有する。コンバータ２１は電気的保護装置１０に接続され、電気的保護装置１０を流れる電気エネルギーを受ける。プロセッサー２３はコンバータ２１およびフォトリレー２５に接続され、負荷４０の制御指令を出力したり負荷４０のフィードバック信号を受信したりする。別の実施形態においてコントローラ２０は上述に限らず、さらに別のモジュールまたは多くのプロセッサーを有する。モジュールは整流器およびインバータなどである。

電気的保護装置１０は、回路基板１１、前段保護回路１３および後段保護回路１５を備える。前段保護回路１３および後段保護回路１５は回路基板１１に形成される。回路基板１１の部品面が２１＊５０ｍｍであれば好ましい。回路基板１１は単層または多層の導体から構成される。部品面は電子部品を載せる面である。別の実施形態において、回路基板１１はサイズが上述に限らず増減してもよい。例えば部品面の長辺を５０から８５ｍｍに変更し、部位面の短辺を２１から３５ｍｍに変更してもよい。長辺および短辺の長さを一致させてもよい。
前段保護回路１３は電源３０およびコントローラ２０の前段２７に接続される。後段保護回路１５は前段保護回路１３およびコントローラ２０の後段２９に接続される。前段２７はコントローラ２０の入力である。後段２９はコントローラ２０の出力である。コントローラ２０の後段２９は負荷４０に接続される端点であり、負荷４０に指令を出力する。つまり、コントローラ２０は前段２７が入力端となり、後段２９が出力端となる。

電源３０の入力に伴って生じたサージエネルギーが電気的保護条件を満たす場合、前段保護回路１３はサージエネルギーがコントローラ２０へ流れることを阻止する。本実施形態において、電気的保護条件は±１０００ボルト（１ＫＶ）に設定される。言い換えれば、サージエネルギーが１ＫＶを超えると、前段保護回路１３が起動する。別の実施形態において、電気的保護条件のパラメータは上述に限らず、増減してもよい。

サージエネルギーは順方向サージエネルギーおよび逆方向サージエネルギーに分けられる。順方向サージエネルギーは高電位から低電位に向かって流れるエネルギーである。逆方向サージエネルギーは低電位から高電位に向かって流れるエネルギーである。サージエネルギーは短時間または瞬間的に激増したエネルギーであるため、システムは耐えることができない。電気的保護条件は順方向の保護パラメータおよび逆方向の保護パラメータを含む。エネルギーおよびパラメータは電流、電圧、パワーまたは演算および変換によって求められたデジタルパラメータである。

サージエネルギーが順方向の保護パラメータより大きい場合と、サージエネルギーが逆方向の保護パラメータより小さい場合であれば、電気的保護条件を満たす。サージエネルギーが順方向の保護パラメータより大きい場合には、前段保護回路１３は短絡方式でサージエネルギーを接地端へ誘導することによってサージエネルギーがコントローラ２０へ流れることを避ける。
サージエネルギーが逆方向の保護パラメータより小さい場合には、前段保護回路１３は断路方式でコントローラ２０の外部にサージエネルギーを遮断することによってサージエネルギーがコントローラ２０へ流れることを避ける。

前段保護回路１３は、前段電圧抑制装置１３１および耐高圧性ダイオード１３３を有する。前段電圧抑制装置１３１は電源３０に並列に接続される。耐高圧性ダイオード１３３は正極が前段電圧抑制装置１３１の正極に接続され、負極が後段保護回路１５およびコントローラ２０の前段２７に接続される。順方向の保護パラメータは前段電圧抑制装置１３１に関わる。
本実施形態において、前段電圧抑制装置１３１は過渡電圧抑制ダイオード（ＴＶＳ）である。過渡電圧抑制ダイオードが２４ボルト双方向過渡電圧抑制ダイオードであれば好ましく、３００アンペア（Ａ）／３ＫＷに耐えることができる。耐高圧性ダイオード１３３は耐電圧１ＫＶが好ましい。別の実施形態は選択条件がパラメータに限定されない。別の実施形態において、前段電圧抑制装置１３１は金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）、サージエネルギーに耐えられる電子部品またはその組み合わせから構成されてもよい。

サージエネルギーが発生した時、後段保護回路１５は応答速度が前段保護回路１３の応答速度より遅く、外部の静電気がコントローラ２０へ進むことを防止する。
サージエネルギーが順方向の保護パラメータより大きい場合には、後段保護回路１５の抵抗は前段保護回路１３の抵抗より大きいため、後段保護回路１５の応答を遅延させる。サージエネルギーが逆方向の保護パラメータより小さい場合には、前段保護回路１３と後段保護回路１５との間は電流が流れていない状態になるため、後段保護回路１５の応答が遅延する。

本実施形態において、後段保護回路１５は分流器１５１および後段電圧抑制装置１５３を有する。サージエネルギーが発生した時、分流器１５１は後段保護回路１５の応答が遅い要因となる。分流器１５１は抵抗器から構成され、一端が前段保護回路１３の耐電圧性ダイオード１３３の負極に接続され、他端が後段電圧抑制装置１５３に接続される。後段電圧抑制装置１５３はコントローラ２０の後段２９に並列に接続される。

サージエネルギーが発生した時、分流器１５１は後段電圧抑制装置１５３の応答時間を遅延させ、後段電圧抑制装置１５３およびフォトリレー２５を保護する。サージエネルギーが発生した時、前段保護回路１３のほうが先に応答する。特に順方向サージエネルギーが発生した時、前段電圧抑制装置１３１は短絡が生じ、抵抗が分流器１５１の抵抗より小さいため、大部分のサージエネルギーはコントローラ２０または後段保護回路１５に進むことなく、短絡が生じた前段電圧抑制装置１３１を流れる。

後段電圧抑制装置１５３および前段電圧抑制装置１３１は部品が同じであるが、部品の条件およびパラメータ、例えば電圧に耐える程度および応答時間などは異なってもよい。

別の実施形態において、分流器１５１は上述の抵抗器に限らず、抵抗になる部品またはモジュールから構成されてもよい。抵抗器の数が多くてもよい。

本実施形態は体積の小さい回路基板１１に対し、サイズが８＊５．９＊２．６または２．６＊１．３＊１．１ｍｍの過渡電圧抑制ダイオードと、サイズが５＊２．７＊２．２ｍｍの耐電圧性ダイオード１３３を採用する。実際のサイズはそれより小さいか大きくてもよい。それらの部品を回路基板１１に配置することさえできればよい。抵抗器の抵抗値は２０から６０オーム（Ω）である。上述したとおり、本発明による電気的保護装置１０の部品を回路基板１１に完全に配置し、機械式作業設備に取り付けることができる。

電気的保護装置１０が稼働したうえで電源３０がサージエネルギー、即ち順方向サージエネルギーおよび逆方向サージエネルギーを発生させる際、順方向サージエネルギーは前段保護回路１３の前段電圧抑制装置１３１を起動させる。前段電圧抑制装置１３１は導通し、短絡が生じる。従って、順方向サージエネルギーはコントローラ２０へ進むことなく、短絡が生じた前段電圧抑制装置１３１から接地端へ流入する。
逆方向サージエネルギーが電源３０を介して電気的保護装置１０に流れ込む場合、逆方向サージエネルギーは前段電圧抑制装置１３１を流れるが、耐高圧性ダイオード１３３は電流が流れていない状態になるため、逆方向サージエネルギーはコントローラ２０へ進むことができない。前段保護回路１３はコントローラ２０を効果的に保護できるため、コントローラ２０は順方向または逆方向サージエネルギーによる損壊を避けることができる。

前段電圧抑制装置１３１および後段電圧抑制装置１５３は応答速度の同じ部品から構成される。後段電圧抑制装置１５３の応答が前段電圧抑制装置１３１の応答より早いことが原因でコントローラ２０または後段電圧抑制装置１５３を損壊させてしまうことを避けるために、後段保護回路１５の分流器１５１によって後段電圧抑制装置１５３の応答を効果的に遅延させることができる。

後段電圧抑制装置１５３は負荷４０に生じた静電圧を効果的に遮断し、コントローラ２０のフォトリレー２５を保護することができる。

上述したとおり、本発明による電気的保護装置１０は前段保護回路１３および後段保護回路１５を備えるため、前段電圧抑制装置１３１より応答が速い電子部品が配置してあるコントローラ２０、負荷４０または別のシステムを考慮する必要がなく、保護回路の簡単化およびコスト削減を実現させ、サージエネルギーを効果的に遮断することができる。

（別の一実施形態）
図３は本発明の別の一実施形態による電気的保護装置を示す回路図である。図の中では、間隔を置いて配列した黒い点、即ち線路または部品の数は増加してもよい。上述した実施形態と同じ部分の説明を省略する。
前段電圧抑制装置５３１は金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）から構成され、サージエネルギーによるコントローラ２０の損壊を避けることができる。金属酸化物バリスタは大電流を処理でき、サージエネルギーを吸収でき、応答が迅速であるため、コントローラ２０を保護できる。別の実施形態において、前段電圧抑制装置５３１は上述に限らず、サージエネルギーに耐えられるかそれを吸収できる電子部品から構成されてもよい。

コントローラ２０は複数の出力端を有する。複数の出力端は複数のフォトリレー２５ａに対応する。後段保護回路５５は一つの分流器５５１（即ち抵抗器）および複数の後段電圧抑制装置５５３を有する。後段電圧抑制装置５５３は一対一でフォトリレー２５ａに並列に接続されると同時に複数の負荷４０に接続される。

上述したとおり、本実施形態において、本発明による電気的保護装置１０は一つの分流器５５１によって複数の後段電圧抑制装置５５３の応答を遅延させることが目的である。

（別の一実施形態）
図４は本発明の別の一実施形態による電気的保護装置を示す回路図である。上述した実施形態と同じ部分の説明を省略する。図４に示すように後段保護回路６５の分流器６５１は前段保護回路６３に接続される複数の抵抗器６５１を有する。抵抗器６５１および後段電圧抑制装置６５３は数が比例関係であり、一対一で配置される。一方、複数の抵抗器６５１は実際の回路設計に応じて抵抗値が同じ抵抗器または抵抗値が異なる抵抗器であってもよい。それに対し、複数の後段電圧抑制装置６５３は応答時間が同じであるか異なる。

（別の一実施形態）
図５は本発明の別の一実施形態による電気的保護装置を示す回路図である。上述した実施形態と同じ部分の説明を省略する。図５に示すように後段保護回路７５の分流器７５１は抵抗器７５１１のほかにスイッチ７５１３を有する。スイッチ７５１３は前段保護回路７３、接地端および抵抗器７５１１に接続される。抵抗器７５１１の接続方式は上述した実施形態と同じであるため、説明を省略する。

スイッチ７５３１は機械式スイッチまたは電子式スイッチである。機械式スイッチはリレーなどである。電子式スイッチはトランジスタまたはトランジスタから構成されるスイッチ回路である。スイッチ７５１３は後段電圧抑制装置および耐高圧性ダイオードを接続する流路を遮断し、流路へ電流を流さない方式または直接に接地端と接続する方式を採用できる。

スイッチを後段電圧抑制装置と耐高圧性ダイオードとを接続する流路に切り替える場合には、負荷を流れる電流は電源から供給される。この状態はｓｏｕｒｃｉｎｇ模式である。スイッチを後段電圧抑制装置とスイッチの接地端とを接続する流路に切り替える場合には、後段電圧抑制装置は短絡が生じ、接地端（ＯＶ）と接続する。負荷を流れる電流は負荷から供給され、後段電圧抑制装置を通って接地端へ流れる。この状態はｓｉｎｋｉｎｇ模式である。

上述したとおり、本発明による電気的保護装置は電源または電力線に生じたサージエネルギーを効果的に遮断または吸収できるため、機械式作業設備はサージエネルギーによる電子部品の損壊を避けることができる。
一方、本発明による電気的保護装置は機械式作業設備の電子部品の電気的特性を考慮する必要がなく、前段保護回路によって大部分のサージエネルギーがコントローラまたは別の機械式作業設備へ流れることを阻止することができる。

１０ 電気的保護装置
１１ 回路基板
１３、６３、７３ 前段保護回路
１３１、５３１ 前段電圧抑制装置
１３３ 耐高圧性ダイオード
１５、６５、７５ 後段保護回路
１５１、５５１、５１、７５１ 分流器
１５３、５５３、６５３ 後段電圧抑制装置
２０ コントローラ
２１ コンバータ
２３ プロセッサー
２５、２５ａ フォトリレー
２７ 前段
２９ 後段
３０ 電源
４０、４０ａ 負荷
７５１１ 抵抗器
７５３１ スイッチ

Claims (5)

1. 機械式作業設備に用いられ、回路基板、前段保護回路および後段保護回路を備え、
   前記前段保護回路は、前記回路基板に形成され、電源およびコントローラの前段に接続され、電気的保護条件に従って作動し、
   前記電源のサージエネルギーが前記電気的保護条件を超えた場合、前記前段保護回路は前記サージエネルギーが前記コントローラへ流れることを阻止し、
   後段保護回路は、前記回路基板に形成され、前記前段保護回路および前記コントローラの後段に接続され、
   前記サージエネルギーが発生した場合、前記後段保護回路の応答速度は前記前段保護回路の応答速度より遅いことを特徴とする、
   電気的保護装置。
2. 前記前段保護回路は、前段電圧抑制装置および耐高圧性ダイオードを有し、前記前段電圧抑制装置は前記電源に並列に接続され、順方向のサージエネルギーが前記コントローラへ流れることを阻止し、前記耐高圧性ダイオードは前記前段電圧抑制装置および前記後段保護回路に別々に接続され、逆方向のサージエネルギーが前記コントローラへ流れることを阻止することを特徴とする請求項１に記載の電気的保護装置。
3. 前記電気的保護条件は、順方向の保護パラメータおよび逆方向の保護パラメータを含み、前記サージエネルギーが前記順方向の保護パラメータより大きい場合には、前記後段保護回路の抵抗は前記前段保護回路の抵抗より大きいため、前記後段保護回路の応答を遅延させ、前記サージエネルギーが前記逆方向の保護パラメータより小さい場合には、前記前段保護回路と前記後段保護回路との間は電流が流れていない状態になるため、前記後段保護回路の応答が遅延することを特徴とする請求項１に記載の電気的保護装置。
4. 前記後段保護回路は、分流器および後段電圧抑制装置を有し、前記分流器は抵抗値を持ち、前記前段保護回路および前記後段電圧抑制装置に別々に接続され、前記後段電圧抑制装置は前記コントローラの前記後段に接続されることを特徴とする請求項３に記載の電気的保護装置。
5. 前記分流器は、抵抗器を有し、前記後段電圧抑制装置は過渡電圧抑制ダイオードおよび金属酸化物バリスタのいずれか一つであることを特徴とする請求項４に記載の電気的保護装置。

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