JP7039211B2

JP7039211B2 - 複合ケーブルの断線予測装置及び静電コーティング装置用高電圧電源装置

Info

Publication number: JP7039211B2
Application number: JP2017156686A
Authority: JP
Inventors: 新一鈴木; 一洋小原
Original assignee: 日本電波株式会社
Priority date: 2017-08-14
Filing date: 2017-08-14
Publication date: 2022-03-22
Anticipated expiration: 2037-08-14
Also published as: JP2019035648A

Description

本発明は、ケーブルの断線を予測する機能を有する断線予測装置、及び静電的に荷電されるコーティング材料粒子を散布する静電コーティング装置に用いられる、前記断線予測装置を含む高電圧電源装置に関する。例えば、塗装ブース内に配置される静電塗装機に含まれる高電圧発生部と、塗装ブースの外部に設置される制御部とを接続するケーブル断線を予測可能な高電圧電源装置に関する。

従来の静電コーティング装置における高電圧電源装置は、高圧トランスとその二次側の電圧増倍回路（例えば倍電圧整流回路）とを含む高電圧発生モジュールと、高圧トランス一次側に流れる電流をスイッチングする駆動回路とこれにドライブ信号を供給するコントローラとを含む高電圧制御部とを備えている。コーティング材料は、液体のペイント材料などが用いられる。

自動車ボディの塗装システムなどでは、塗装ロボットのアームの先端に高電圧発生モジュールを内蔵した静電塗装機を備えている。この静電塗装機は塗装ブースの外部に設置した高電圧制御部とケーブルを通じて接続される。高電圧制御部に含まれるコントローラは、駆動回路にドライブ信号を供給し、最長３０ｍ程度のケーブルを介して高圧トランスの一次側に周期的ないし振動的な駆動電圧を発生させる。これにより高圧トランスの二次側に高電圧が発生し、これが電圧増倍回路へ加えられ、電圧増倍回路の出力高電圧が静電電位利用の静電塗装機に供給されるようになっている。また、高圧トランスの二次側に流れる電流に比例した電圧、高電圧に比例した電圧が前記ケーブルを経由して高電圧制御部に入力され、高電圧制御部は一定の高電圧を発生する制御を行ったり、高圧トランスの二次側に流れる電流が異常の場合に、高電圧を停止する制御を行う高電圧電源装置が知られている。

塗装作業により、ロボットは被塗装物の形状に沿って静電塗装機を移動させるが、この際に接続ケーブルに屈曲が発生して、ケーブルの劣化が発生することがある。ケーブルは、一般にシールド構成を持つ多芯のキャブタイヤケーブルが用いられる。ケーブルを構成する銅線の脆性劣化により、断線が発生することが知られている。

従来の断線、または劣化検出の方法としては、下記のような方法が知られている。
(１）特許文献１に示すように、多芯ケーブルの信号の一つに、検出用途を兼ねた信号を用いるもの。
（２）特許文献２に示すように、断線検出用信号を多芯ケーブルの信号の一つに用い、多芯ケーブルの機械的寿命が短い検出線に断線検出用信号を印加するもの。
（３）特許文献３、４に示すように、ケーブルの抵抗値を観測し、撚り線の断線による抵抗値変化や電圧変化を検出するもの。
（４）特許文献５に示すように、複数の被覆された素線の部分的な断線を検出する手法として、部品として長さが決まった線路の断線率を検出する方式が知られている。

しかしながら、上記特許文献１では、ケーブルの劣化が進んだ断線の状態になった後に検出を行う方式であり、断線の進行状況すなわち予兆を発見することができないという問題があった。上記特許文献２では、多芯ケーブルの構造や、屈曲寿命の異なる特殊な構造のケーブルを用いる必要があった。また、一般に検出線の素線の直径や材質に対する屈曲寿命は予想が難しく、設置した環境により予知線の破断が遅すぎたり、早すぎたりするばらつきが発生する問題があった。上記特許文献３、４では、抵抗値変化により連続的な劣化の検出を試みるものの、銅線の抵抗率が低いため、断線区間による電圧降下を検出するために高精度の回路が必要となり、また、ケーブルの一区間で発生した断線による抵抗値変化は、ケーブル全長による抵抗値に対して微小であり、この場合もかなり破断が進んだ状態で検出を行うものであった。また、検出のために比較的大きな電流を流す場合があるが、ケーブルを構成する素線の断線が進んでいる場合、断線部分の過熱が発生するため、塗装溶剤の引火を防ぐ観点から好ましくない。また、特許文献５は、主にコイルなどの製造不良の摘出を行う技術であり、実際に高電圧電源装置に使用されるケーブルは、設置場所のレイアウトによりケーブル長がそれぞれ異なり、また、素線の導電率や断面積のばらつきといったケーブル製造上のばらつきにより基準となる抵抗値を求めるのが困難であるため、これらケーブルの抵抗値を高精度で測定しつつ、設置場所での設置を簡便に行う方法としては不適切である。

特開２０１０－２５２４６５公報特開２０１１－４２００４公報特開２００１－２０８７８３公報特開２０１２－６８１７１公報特開平６－２９２２４３公報

本発明はこうした状況を認識してなされたものであり、その目的は、２つの機器を相互に接続するケーブル、例えば静電塗装機と制御部間を接続するケーブルの断線を予測し、計画的なケーブル交換を行うことで設備の保全時間を短縮可能な断線予測装置及び静電コーティング装置用高電圧電源装置を提供することにある。

本発明の第１の態様は複合ケーブルの断線予測装置である。この複合ケーブルの断線予測装置は、２つの機器を相互に接続する、少なくとも２本以上のケーブル線を含む複合ケーブルの断線予測装置であって、
前記ケーブル線のうちの少なくとも１本は、複数の絶縁被覆された素線を用いた検出線であり、前記複合ケーブルは、一端において前記検出線と接続された基準線を有し、前記基準線は素線を相互に絶縁しないで束ねたものであり、
前記検出線と前記基準線との直列接続を含み、かつ前記直列接続が直列に挿入された１つの前記検出通電経路と、
基準電圧を発生する基準電圧発生源と、
前記基準電圧を前記検出通電経路に供給する電流制限抵抗と、
前記検出通電経路の電圧を検出する電圧検出手段と、を有し、
前記電圧検出手段で検出された前記検出通電経路の両端の検出電圧値の変化により前記検出線の断線率の増加を検出するものであって、
前記電圧検出手段は、前記検出線の両端の第一の電圧を検出する第一電圧検出手段と、前記基準線の両端の第二の電圧を検出する第二電圧検出手段と、を有し、
前記第一の電圧と第二の電圧の比率を用いて断線率を算出することを特徴とする。

本発明の第２の態様は静電的に荷電されるコーティング材料粒子を散布する静電コーティング装置用高電圧電源装置である。この静電コーティング装置用高電圧電源装置は、一次巻線及び二次巻線を有する高圧トランスと、前記二次巻線の誘起電圧を整流する高電圧整流器とを有し、前記高電圧整流器の出力電圧を、静電電位利用の塗装機器に供給する高電圧発生部と、前記一次巻線に流れる電流をスイッチングする高電圧制御部と、前記高電圧発生部と前記高電圧制御部とを接続する複合ケーブルとを備え、
前記複合ケーブルは、複数の絶縁被覆された素線を用いた検出線と、前記高電圧発生部において、前記検出線と接続された基準線とを有し、前記基準線は素線を相互に絶縁しないで束ねたものであり、
前記高電圧制御部は、
前記一次巻線に電圧を供給する第一の電源と、
基準電圧を発生する第二の電源と、
前記検出線及び前記基準線の直列接続を含む１つの検出通電経路に、前記基準電圧を供給する電流制限抵抗と、
前記検出線の両端の第一の電圧を検出する第一電圧検出手段と、
前記基準線の両端の第二の電圧を検出する第二電圧検出手段と、を有し、
前記高電圧制御部は、前記第一の電圧と第二の電圧の比率を用いて前記検出線の断線率を算出することを特徴とする。

前記第２の態様において、前記検出線と前記基準線は、前記一次巻線のセンタータップに接続され、また、前記一次巻線の他の端子の一つは、前記第一電圧検出手段及び前記第二電圧検出手段に接続し、
切替手段により、前記第一の電源出力と前記第二の電源出力を切り替えて前記検出線に供給し、前記検出線と前記基準線は前記一次巻線への電源供給線を兼ねる構成であるとよい。

本発明によれば、２つの機器を相互に接続する複合ケーブルのケーブル線のうちの少なくとも一つを、複数の被覆された素線を用いた検出線とし、この検出線を含む検出経路の電圧を用いて、従来の方式よりも高い精度で、検出線の断線率を検出することで、ケーブルの断線を予測可能である。この結果、計画的なケーブル交換を行うことで設備の保全時間を短縮可能である。

本発明の実施の形態１であって、断線予測機能を有する静電コーティング装置用高電圧電源装置を示すブロック図。断線率Ｋｄに対する検出電圧Ｖｄを示すグラフ。断線率Ｋｄに対する検出電圧Ｖｄ及び検出線の抵抗変化を示す表。本発明の実施の形態２であって、断線予測機能を有する静電コーティング装置用高電圧電源装置を示すブロック図。本発明の実施の形態３であって、断線予測機能を有する静電コーティング装置用高電圧電源装置を示すブロック図。

以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態を詳述する。なお、各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理等には同一の符号を付し、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は発明を限定するものではなく例示であり、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

＜実施の形態１＞
図１乃至図３で本発明の実施の形態１である静電コーティング装置用高電圧電源装置を説明する。図１に示す静電コーティング装置用高電圧電源装置は、高電圧を発生して噴射器（ガン）１０に供給する高電圧発生部としての高電圧発生モジュール２０と、高電圧発生モジュール２０の出力を制御するとともに効率を最適化するための高電圧制御部３０と、両者を接続するケーブル４０とを有する。噴射器１０は静電電位利用の塗装機器であって、荷電コーティング材料粒子を対象物に散布するものであり、高電圧発生モジュール２０は通常、噴射器１０のケーシング内に収納されているため、ケーブル４０で高電圧制御部３０と電気的に接続される。

高電圧発生モジュール２０は、一次巻線２１ａ及び二次巻線２１ｂを有する高圧トランス２１と、二次巻線２１ｂの誘起電圧を整流し増倍する電圧増倍回路２２（例えば倍電圧整流回路）とを有し、電圧増倍回路２２の高電圧出力が噴射器１０に供給される。高電圧出力検出用の抵抗Ｒ２１、Ｒ２２の直列回路の一端は電圧増倍回路２２の出力端に接続され、他端は電圧コモン端子２０１ｆに接続される。抵抗Ｒ２１、Ｒ２２の接続点は高電圧出力を検出する端子２０１ｇに接続される。高電圧電流検出用の抵抗Ｒ２３は、二次巻線２１ｂに接続されており、一端は高電圧電流を検出する端子２０１ｅに、他端は電圧コモン端子２０１ｆに接続される。

高電圧制御部３０は、駆動回路３１、３２、入力回路３３、３４、可変制御安定化電源３５、マイクロコントローラ（略称：マイコン）５０、基準電圧発生回路５１、切替手段としてのスイッチ５２、電流制限抵抗ＲＬ、及び電圧検出手段としての増幅回路５０１、５０２（例えば演算増幅器）を有する。駆動回路３１、３２はマイコン５０からのドライブ信号を受けて高圧トランス２１の一次巻線２１ａに流れる電流をスイッチングするものである。

ケーブル４０は、多数本のケーブル線を束ねた多芯の集合ケーブル（複合ケーブルとも言う）であり、その長さは最大３０ｍ～４０ｍ程度である。ケーブル線４０１ｅ～４０１ｇは制御用の信号線であり、主にコネクタや端子の仕様や加工性のため０.２ｍｍ^２～０.４ｍｍ^２程度の断面積を持つ信号線が用いられる。これに対して、電源用信号線４０１ａ～４０１ｄは、高電圧発生モジュール２０の効率を考慮して、０.５ｍｍ^２～０.９ｍｍ^２程度の断面積を持つ信号線を使用する。４０１ｈはケーブルのシールド部分であり、高電圧制御部３０の電圧コモン端子３０１ｈに接続され、アース（グラウンドに接続）される。

高電圧発生モジュール２０の高電圧電流を検出する端子２０１ｅ及び高電圧出力を検出する端子２０１ｇは、それぞれケーブル線４０１ｅ、４０１ｇにより、高電圧制御部３０の端子３０１ｅ、３０１ｇを経由して入力回路３３、３４に接続される。高電圧発生モジュール２０の電圧コモン端子２０１ｆは、ケーブル線４０１ｆにより高電圧制御部３０の電圧コモン端子３０１ｆに接続される。

高圧トランス２１の一次巻線２１ａはセンタータップを有し、このセンタータップは高電圧発生モジュール２０のセンタータップ端子２０１ａ、２０１ｂに接続される。センタータップ端子２０１ａは、ケーブル線４０１ａ、高電圧制御部３０のセンタータップ端子３０１ａ、スイッチ５２を介し可変制御安定化電源３５に接続され、センタータップ端子２０１ｂは、ケーブル線４０１ｂ、高電圧制御部３０のセンタータップ端子３０１ｂを介し可変制御安定化電源３５に接続される。つまり、高圧トランス２１の駆動電圧として、可変制御安定化電源３５の出力電圧を、ケーブル４０１ａ、４０１ｂを介して、センタータップ端子２０１ａ、２０１ｂに供給可能となっている。一次巻線２１ａの両端は、それぞれ高電圧発生モジュール２０のドライブ信号端子２０１ｃ、２０１ｄに接続され、さらにケーブル線４０１ｃ、４０１ｄにより、高電圧制御部３０のドライブ信号端子３０１ｃ、３０１ｄを経由して駆動回路３１、３２に接続される。これら駆動回路３１、３２は既知の技術により、マイコン５０からの相補的な２相のドライブ信号で駆動される。

本実施の形態１では、ケーブル４０の一部である、検出線としてのケーブル線４０１ａの断線の割合を、基準電圧発生回路５１、スイッチ５２、電流制限抵抗ＲＬ、増幅回路５０１、５０２、長さが等しいケーブル線４０１ａ、４０１ｂを用いて検出することができる。検出線としてのケーブル線４０１ａは、リッツ線などの複数の被覆された素線を用いた線を使用する。一方、基準線となるケーブル線４０１ｂを含む他のケーブル線はリッツ線などの複数の被覆された素線を用いるのではなく、素線を相互に絶縁しないで束ねたものを絶縁被覆したケーブル線である。但し、他の信号線としてのケーブル線と劣化の速度が著しく変わらないよう、検出線としてのケーブル線４０１ａを構成する素線の直径と本数は、他の電源用信号線と同等とすることが好ましい。例えば、ケーブル４０の線路長３０ｍ程度とした場合、一般的に入手容易な直径０.１ｍｍの素線を使用し、１００本を撚り線とした構成を用いる。断面積は０.７８５ｍｍ^２程度となる。

既知の技術による駆動回路３１、３２の方式により、一次巻線２１ａのセンタータップ流れる電流は、ドライブ信号端子２０１ｃ、２０１ｄに流れる電流の２倍である。このため、ケーブル線４０１ｃ、４０１ｄに対して、センタータップ端子２０１ａ、２０１ｂにケーブル線４０１ａ、４０１ｂをそれぞれ接続して、２本の信号線により駆動電流を供給している。つまり、運転中はスイッチ５２は可変制御安定化電源３５の出力を端子３０１ａに接続しており、マイコン５０は、出力高電圧値に対応するセンタータップ電圧値を可変制御安定化電源３５に指示し、可変制御安定化電源３５の出力は、ケーブル線４０１ｂと、スイッチ５２を経由してケーブル線４０１ａとにより、高電圧発生モジュール２０に供給される。

塗装ロボットに取り付けられた噴射器１０が、塗装作業により移動することにより、集合ケーブル４０が屈曲を繰り返すと、ケーブル内の信号線を構成する素線が断線し、屈曲の回数により断線の比率が進むことになる。

基準電圧発生回路５１は、可変制御安定化電源３５出力を基準として、基準電圧Ｖｃを発生する。絶縁型の電源装置を用い、たとえば基準電圧Ｖｃ＝２Ｖを発生する。電流制限抵抗ＲＬは基準電圧発生回路５１の出力に対し直列に挿入される。ケーブル状態を観測する際は、スイッチ５２は抵抗ＲＬを介して基準電圧を端子３０１ａに印加する。また、駆動回路３１、３２は、計測時には共にＯＦＦ状態とし、電流が駆動回路３１、３２に流れない状態とする。

この状態で端子３０１ａと端子３０１ｃの間の電圧Ｖｄを増幅回路５０１により測定する。これは検出線４０１ａの電圧降下である。続いて端子３０１ｃと３０１ｂの間の電圧Ｖｍを増幅回路５０２により測定する。これは検出線４０１ａと同じ素線構成を持つ、基準線４０１ｂの電圧降下である。

本発明の実施の形態１によれば、電圧ＶｄとＶｍを用いて、ケーブル４０の長さによらず、検出線としてのケーブル線４０１ａの断線率を検出することができることを説明する。ケーブル線４０１ａの抵抗値Ｒ１は、ケーブル長Ｌ、断線率Ｋｄ、温度Ｔ２のとき、式１のように記載できる。

ここで、Ｋａは銅の抵抗値の温度係数＝０.００３９３、Ｋｒは基準温度Ｔ１＝２０℃のときのケーブルの単位長さあたりの抵抗値である。前記記載のケーブル構成では、断面積０.７８５ｍｍ^２程度であるので、Ｋｒ＝０.０２２Ω／ｍ程度である。
続く計算のため、基準となる係数Ｒｒｅｆを求める。Ｋｄ＝０％、Ｌ１＝３０ｍ、Ｔ２＝２０℃として、式１に代入し、Ｒｒｅｆ＝０.６６Ω となる。

本発明の実施の形態１では、検出線４０１ａにリッツ線などの複数の被覆された素線を用いた線を使用することで、断線率に応じて下記のように大きい抵抗変化を得ることができる。断線率Ｋｄ＝５０％、９９％の場合は、同じ温度Ｔ２＝２０℃の条件では、断線率Ｋｄにの応じて下記のように抵抗率が変化することで容易に理解される。
Ｋｄが５０％の場合のＲ１＝１／（１－０.５）×Ｒｒｅｆ＝２×０.６６Ω
Ｋｄが９９％の場合のＲ１＝１／（１－０.９９）×Ｒｒｅｆ＝１００×０.６６Ω

一方、単なる抵抗値変化では、ケーブルの線路長Ｌと温度による抵抗値変化の影響を含んだものとなるため、基準線４０１ｂの抵抗値Ｒ２を用いて、式２、式３の関係から影響を打ち消すようにする。

基準線４０１ｂは、大幅に断線が進まないと、抵抗値が変化しないため、Ｒ２は一定値としてよい。たとえば、検出線４０１ａと同様に、直径０.１ｍｍの素線１００本構成において、基準線の全長３０ｍ中の５ｍｍが断線率９９％であるとして、下記の試算により明確である。
ケーブルの単位長さあたりの抵抗値は、例として温度２０℃の場合０.０２２Ωであるので、
３０ｍ区間の抵抗値＝０.０２２Ω×３０ｍ＝０.６６Ω
５ｍｍ区間の抵抗値＝２.２Ω×０.００５ｍ＝０.０１１Ω
このように、極めて断線率の大きい区間があっても、上記の計算では０.０１１Ω÷０.６６Ω＝１.６７％の抵抗変化である。

また、本発明の実施の形態１の特徴として、検出線としてのケーブル線４０１ａ、基準線としてのケーブル線４０１ｂは、集合ケーブル４０内において他のケーブル線と並走しており、また、他のケーブル線と同一のケーブル素線構成とすることで、温度に対する抵抗値の変化率を同一とすることができる。これは、ケーブル４０全長の一部に温度変化がある場合についても補償可能である。

式２、式３より、Ｒ２を断線率０％のＲ１と近似して、更に温度に対する変動を係数Ｒｒｅｆを用いて記載すると式４、式５を得る。

式５を、Ｋｄを求める式に変形して式６を得る。

下記に例を示す。ケーブル線４０１ａ、４０１ｂに前記の素線構成を用いた場合、温度２０℃において、Ｖｃ＝２Ｖ、ＲＬ＝２Ω、ケーブル長Ｌ＝３０ｍの構成を用いると、Ｖｄ＝０.８５Ｖ、Ｖｍ＝０.２８Ｖのとき、Ｋｄ＝０.６７となる。これは、ケーブル４０１ａの抵抗値１.９８Ω、ケーブル４０１ｂの抵抗値０.６６Ωに相応する。

電流制限抵抗ＲＬは、マイコン５０内のＡ／Ｄコンバータの精度や抵抗ＲＬの精度を考慮して決定する。下記に手順を説明する。図２は、電流制限抵抗ＲＬの抵抗値１Ω、２Ω、１０Ωに対する、断線率Ｋｄ対検出電圧Ｖｄの電圧をプロットした図である。Ｖｃ＝２.０Ｖ、検出線としてのケーブル線４０１ａ、基準線としてのケーブル線４０１ｂに前記の素線構成を用いた例であり、温度２０℃、ケーブル長は最大３０ｍに対して、最少の値である１０ｍとしている。

また、図３は図２の各断線率Ｋｄに対するＶｄの値と、断線率Ｋｄに対応した検出線４０１ａの抵抗（Ｒ１）の値を記載した表である。

端子３０１ａ、３０１ｂ間の抵抗値、すなわちケーブル線４０１ａと４０１ｂの抵抗値の和が、抵抗ＲＬに等しいとき、Ｖｄ＋Ｖｍ＝Ｖｃ×０.５となる。ＲＬは、接続されるケーブル長の範囲と、断線率Ｋｄが０～５０％に対する電圧Ｖｄの変化量が少なくともＶｃの５％～１０％以上になる範囲で求める。また、この時の測定電流が約１Ａ以下になるようにする。

断線率０％から５０％のときのＲ１の抵抗値の変化は、図３から０.２２Ωであり、ＲＬ＝２Ωを使用すると、断線率０％から５０％のときの電圧変化は０.３３Ｖ－０.１８Ｖ＝０.１５Ｖであり、、Ｖｃ＝２.０Ｖの７.５％である。このときの測定の最大電流は、Ｖｃ÷（ＲＬ＋Ｒ１＋Ｒ２）＝２Ｖ÷（２Ω＋０.２２Ω＋０.２２Ω）＝０.８２Ａである。

ＲＬ＝１Ωを使用すると、断線率０％から５０％のときの電圧変化は０.５３Ｖ－０.１８Ｖ＝０.３５Ｖであり、Ｖｃ＝２.０Ｖの１１％である。このときの測定の最大電流は、Ｖｃ÷（ＲＬ＋Ｒ１＋Ｒ２）＝２.０Ｖ÷（１Ω＋０.２２Ω＋０.２２Ω）＝１.３９Ａとなる。
断線率０％から５０％のときのＶｃ電圧変化より、ＲＬは２Ω以下が適していることが分かる。この点から、ＲＬが１Ωの場合も、ＡＤコンバータの分解能の観点から適しているものの、基準電圧発生回路５１の出力電流が１Ａを超えることにより、基準電圧発生回路５１の回路構成が大型化するため、ＲＬは２Ωが適している。

上記より、検出用の基準電圧Ｖｃは２～４Ｖとし、また、ＲＬは測定対象とするケーブル線の０％断線の抵抗値を基準とすると、ＲＬはその５～１５倍程度とし、測定電流ができるなら１Ａを超えず、断線部分の過熱を考慮して２Ａ以下としてＶｃとＲＬを調整すると良い。

本発明に係る実施の形態１によれば、下記の効果を奏することができる。

（１）多芯の集合ケーブル４０を構成するケーブル線の一つを、複数の絶縁被覆された素線を用いた検出線４０１ａとして、この検出線４０１ａの電圧と、素線が個別に絶縁被覆されていない基準線４０１ｂの電圧を用いて、周囲温度やケーブル長の影響を補正し、従来の方式よりも高い精度で、検出線の断線率を検出することができる。断線率は素線数を３０～１５０程度とすることで連続的に求めることができ、断線の状況を確認することで、集合ケーブル４０が破断に至る前に、速やかにケーブル交換を行うことができる。なお、素線数３０未満では断線率を段階的に変化させるには本数が不足し、素線数１５０を超えるとケーブルが太くなり過ぎるきらいがある。
（２）可動ケーブルとして用いられる集合ケーブル４０は、その太さや重量により敷設時のケーブルの引き回しや交換時の保守性が大きく異なる。検出線４０１ａ及び基準線４０１ｂを構成するケーブル線は、高電圧発生モジュール２０に接続する電源線を使用しており、ケーブル４０の直径を増加することなく実施が可能である。ケーブル４０の信号構成に追加が無いため、敷設時のケーブル４０の引き回しや交換時の保守性を損なう事が無い。
（３）ケーブル長は、設置された工場内の配置により様々な線路長となるが、本実施の形態ではケーブル長の測定は必要無い。すなわち装置導入時の初期設定が容易である。

なお、図１の構成において、断線率を演算し、その増加を検出する制御装置として機能する部分は、検出線４０１ａ、基準線４０１ｂ、マイコン５０、基準電圧発生回路５１、切替手段５２、及び増幅回路５０１、５０２を含み、式１～式６の演算はマイコン５０で行う。

＜実施の形態２＞
本発明は、より簡略化した回路構成で実現することも可能であり、この場合を図４に実施の形態２として示す。図４は、ケーブル線４０１ａ、４０１ｂにリッツ線などの複数の被覆された素線を用いて、専用の検出線として使用した構成である。図１に対して、検出線の構成が異なる部分のみ記載している。ケーブル線４０１ａ、４０１ｂは高電圧発生モジュール２０側の端子２１１ａ、２１１ｂに接続されることで、基準電圧発生回路５１が発生する基準電圧Ｖｃによって、電流制限抵抗ＲＬ、高電圧制御部３０側の端子３１１ａ、ケーブル線４０１ａ、高電圧発生モジュール２０側の内部接続された端子２１１ａ、２１１ｂ、ケーブル線４０１ｂ、高電圧制御部３０側の端子３１１ｂの経路で電流が流れる。

なお、集合ケーブル４０内で発生する断線を効果的に検出するため、２本の被覆された素線によるケーブル線４０１ａ、４０１ｂを、集合ケーブル内で隣接させず、集合ケーブル内で分けて配置すると良い。

この構成においても、ケーブル長と温度変化の影響によらず、断線率を検出することが可能である。以下に式７から式１２を用いて説明を行う。
検出電圧Ｖｄは式７となる。断線が進むにつれて、式７におけるケーブル線４０１ａの抵抗値Ｒ１、基準線４０１ｂの抵抗値Ｒ２がそれぞれ変化するため、電圧ＶｄはＲ１及びＲ２の断線率に応じて変化する。ケーブル４０１ａとケーブル４０１ｂについて、それぞれの断線率が４０％以下である場合には、ほぼ断線率の平均値で近似できる。

７式に対して、Ｒ１とＲ２の平均値をＲｃとすると式８となり、変形により式９を得る。

ケーブル線４０１ａ、４０１ｂの基準温度Ｔ１、断線率０％における抵抗値をＲｒｅｆとし、その時のＶｄをＶｄ０として、ＲＬ／Ｒｒｅｆの定数を式１０により求める。

式９、式１０は、後述で使用するので、次に所定の温度Ｔ２でのＲｃと、基準温度Ｔ１でのＲｒｅｆに対する断線率Ｋｄの関係式を使用すると、式１１及び変形した式１２のように表記することができる。

静電コーティング装置の設置時、または、ケーブル４０の交換時には、断線率０％、基準温度Ｔ１として、基準となるＶｄ０を測定し、式１０により係数ＫＲｒｅｆ＝ＲＬ／（２Ｒｒｅｆ）を求める。たとえば、試算例として、温度Ｔ１＝２０℃、直径０.１ｍｍの素線を使用し、１００本を撚り線としたケーブルを用いると、Ｖｃ＝３.３Ｖ、ＲＬ＝２Ω、ケーブル長Ｌ＝３０ｍの場合、Ｖｄ０＝１.３１Ｖ、ＫＲｒｅｆ＝１.５２である。マイコン５０は、基準となる温度Ｔ１とＶｄ０を温度値保持手段５３、電圧値保持手段５４にそれぞれ保持する。また、周囲温度は温度センサ５５により測定する。
運転中に、式９によりＲＬ／(２Ｒｃ)の値をＶｃ、Ｖｄの比より求め、これをＫＲｃとする。
温度Ｔ２＝４０℃となり、Ｖｄ＝１.５５Ｖを測定し、ＫＲｃ＝１.１３とする。
ＫＲｃ÷ＫＲｒｅｆ＝ＲＣ／Ｒｒｅｆであり、更に既知のケーブルの温度係数Ｋａ（＝０.００３９３）を用いて、式１２より、
Ｋｄ＝１－（ＫＲｃ／ＫＲｒｅｆ）×（１＋Ｋａ（４０℃－２０℃））
＝１－１.１３／１.５２×（１＋Ｋａ（４０℃－２０℃））＝０.２０
これは、Ｒ１の抵抗値が、ケーブル４０の交換時に、温度Ｔ１＝２０℃において０.６６Ω、断線が発生し、温度Ｔ２＝４０℃において０.８９Ωに相当する。

本発明に係る実施の形態２によれば、下記の効果を奏することができる。

（１）多芯ケーブル４０を構成するケーブル線のうちの２本を、複数の被覆された素線を用いた検出線４０１ａ、４０１ｂとして構成し、検出線４０１ａ、４０１ｂで高電圧発生モジュール２０と高電圧制御部３０間を折り返し接続することで、検出線４０１ａ、４０１ｂを含む検出経路の電圧と、周囲温度を用いて、周囲温度やケーブル長の影響を補正し、従来の方式よりも高い精度で、検出線４０１ａ、４０１ｂの断線率を検出することができる。断線率は検出線の素線数を３０～１５０程度とすることで連続的に求めることができ、断線の状況を確認することで、集合ケーブル４０が破断に至る前に、速やかにケーブル交換を行うことができる。
（２）検出線は２本であり、ケーブル線の追加を少なくしてケーブル４０の直径の増加を抑えることができ、敷設時のケーブル４０の引き回しや交換時の保守性の影響が少ない。
（３）断線率検出に必要な初期設定値を、設置時の検出電圧と温度とし、予めケーブル長を求める事なく容易かつ短時間のセットアップが可能である。
（４）静電コーティング装置は大きな工場構内に設置され、ケーブル４０の抵抗値は温度変化の影響を受けやすい傾向があるが、周囲温度を考慮して（温度センサ５５で温度検出を行うことで）断線予測の精度を向上させることができる。

＜実施の形態３＞
本発明に係る実施の形態３を図５を用いて説明する。この実施の形態３では、複数の被覆された素線からなる１本のケーブル線を検出線として用い、ケーブル４０の信号追加を最少としている。図５のケーブル線４０１ａはリッツ線などの複数の被覆された素線であり、高電圧発生モジュール２０側の端子２１１ａと高電圧制御部３０側の端子３１１ａとを接続している。また、集合ケーブル４０のシールド部分４０１ｈは高電圧発生モジュール２０側の端子２１１ｈと高電圧制御部３０側の電圧コモン端子３１１ｈ（アース端子）とを接続している。従って、基準電圧発生回路５１が発生する基準電圧Ｖｃによって、電流制限抵抗ＲＬ、高電圧制御部３０側の端子３１１ａ、ケーブル線４０１ａ、高電圧発生モジュール２０側の内部接続された端子２１１ａ、２１１ｈ、シールド部分４０１ｈ、高電圧制御部３０側の端子３１２ｈの経路で電流が流れる。

この構成においても、ケーブル長と温度変化の影響によらず、断線率を検出することが可能である。以下に式１３から式１７を用いて説明を行う。
前記の式７を変形して下記式１３を得る。

また、シールド部分４０１ｈの抵抗値Ｒ２は、断線率０％における検出線４０１ａの抵抗値の１／Ｎとすると、Ｒ１の基準となる抵抗値Ｒｒｅｆを用いて、式１４のように記載できる。
シールド部分４０１ｈの断線率が極めて大きくない限り、Ｒ２は温度係数Ｋａにのみ依存する条件は、前記実施の形態１、２と同様である。

Ｒ２＝Ｒｒｅｆ×(１＋Ｋａ(Ｔ２－Ｔ１))／Ｎ・・・式１４
式簡略化のため基準温度のときの係数ＫＴ０（＝ＲＬ÷Ｒｒｅｆ÷Ｎ）を用いて式１３を変形すると式１５となる。

続いて、マイコン５０による断線率Ｋｄの算出手順を説明する。検出線４０１ａとシールド部分４０１ｈの抵抗比は、予め設計仕様または測定により求めておく。また、式１５における定数部ＫＴ０・Ｎは、基準温度Ｔ１のときに（１＋Ｋａ（Ｔ２－Ｔ１））＝１、また、Ｒ１／Ｒ２＝Ｎであることから、基準となる電圧Ｖｄ０を用いて式１６と記載できる。
ＫＴ０・Ｎ＝ (Ｖｃ／Ｖｄ０－１）・（Ｎ＋１）・・・式１６
式１５、１６より、運転中に測定した温度Ｔ２と検出電圧Ｖｄより、Ｒ１／Ｒ２を算出して、式１７に代入することでＫｄを求める手順となる。

下記に算出例を示す。静電コーティング装置の設置時、または、ケーブル４０の交換時には、断線率０％、基準温度Ｔ１として、基準となるＶｄ０を測定し、式１５により係数ＫＴ０・Ｎを求める。
試算例として、検出線４０１ａに直径０.１ｍｍの素線を使用し、それぞれ絶縁被覆した１００本を撚り線としたケーブル線を用いると、温度Ｔ１＝２０℃、Ｖｃ＝３.３Ｖ、ＲＬ＝２Ω、ケーブル長Ｌ＝３０ｍの場合、Ｖｄ０＝１.０１Ｖ、ＫＴ０・Ｎ＝９.０７である。シールド部分の仕様によりＮ＝３を用いている。
運転中に、温度Ｔ２とＶｄを測定して、式１５によりＲ１／Ｒ２を求める。
温度Ｔ２＝４０℃となり、Ｖｄ＝１.８０Ｖ、Ｒ１／Ｒ２＝９.０９とすると、式１７よりＫｄ＝０.６７である。
これは、Ｒ１の抵抗値が、ケーブル４０の交換時に、温度Ｔ１＝２０℃において０.６６Ω、断線が発生し、温度Ｔ２＝４０℃において２.１６Ωに相当する。

本発明に係る実施の形態３によれば、下記の効果を奏することができる。

（１）多芯ケーブル４０を構成するケーブル線のうちの１本を、複数の被覆された素線を用いた検出線４０１ａとし、検出線４０１ａを含む検出経路の電圧と、周囲温度を用いて、周囲温度やケーブル長の影響を補正し、従来の方式よりも高い精度で、検出線の断線率を検出することができる。断線率は素線数を３０～１５０程度とすることで連続的に求めることができ、断線の状況を確認することで、集合ケーブル４０が破断に至る前に、速やかにケーブル交換を行うことができる。
（２）検出線は１本であり、集合ケーブル４０のシールド部分４０１ｈを戻りの電流路として用いているため、ケーブル４０の直径の増加を抑えることができ、敷設時のケーブルの引き回しや交換時の保守性の影響が少ない。
（３）検出に必要な初期設定値を、設置時の検出電圧と温度とし、予めケーブル長を求める事なく容易かつ短時間のセットアップが可能である。
（４）静電コーティング装置は大きな工場構内に設置され、ケーブル４０の抵抗値は温度変化の影響を受けやすい傾向があるが、周囲温度を考慮して（温度センサ５５で温度検出を行うことで）断線予測の精度を向上させることができる。

以上のように、実施の形態１、３は、本発明の特徴として、複数の被覆された素線を用いた線を検出線４０１ａとして用いることで、断線率に対する検出電圧の変化を大きくすることができるとともに、検出線４０１ａに断線が発生したとして、残る接続状態の素線に対する温度分布は基準線４０１ｂと同一であることから、断線率Ｋｄに対して温度に対する抵抗値変化は独立している。言い換えると、ケーブル４０の一部がロボット内を通過して、ケーブル４０の一部分に温度上昇がある場合についても有効である。本来は、ケーブル上の断線位置は予測できないため、従来の方式では、異なる抵抗値の直列接続が、それぞれ温度分布を持つ状態となり、検出が困難な変動が発生していた。検出線として複数の被覆された素線を用いることでこの影響を除去し、検出結果の精度向上を行うことができる。

実施の形態２では、上記の観点からは近似的な検出となってしまうが、２つの検出線において、同程度の断線が発生する条件では同様と言える。

なお、各実施の形態において、ケーブル線４０１ａ～４０１ｇや、シールド部分４０１ｈについて、断線の進む割合（速度）は、ケーブル線の直径、集合ケーブル４０を構成するケーブル線が集合ケーブル断面積の中心からどの位置に配置されているか、また、使用する被覆などにより異なるが、集合ケーブル４０の交換時期を示す目安として検出線の断線率を用いることができる。各実施の形態によれば連続的な断線率がわかるため、設置環境や運転の状況により、他の信号線としてのケーブル線の断線が、検出線よりも早く進むようであれば、ケーブル４０の交換の判定とする断線率を５％、１０％などにすると良い。

以上、実施の形態を例に本発明を説明したが、実施の形態の各構成要素や各処理プロセスには請求項に記載の範囲で種々の変形が可能であることは当業者に理解されるところである。

本発明の実施の形態として、静電コーティング装置用高電圧電源装置について説明したが、１０ｍ以上、３０ｍ以下程度の多芯ケーブルを用いた装置に応用が可能であり、特に断面積０.５ｍｍ^２～１.０ｍｍ^２のケーブルを用いて２つの機器を相互に接続する用途に適している。

各実施の形態において、検出線には、直径０.１ｍｍの素線を使用し、１００本を撚り線とした構成という比較的太い信号線を用いているが、より細い構成でも可能である。一方、検出線の抵抗率の変化の状態数は、検出線を構成する素線の本数に等しいため、段階的な断線率を求めるためには、素線数は３０本以上が適している。

１０噴射器
２０高電圧発生モジュール
２１高圧トランス
２２電圧増倍回路
３０高電圧制御部
３１、３２駆動回路
３３、３４入力回路
３５可変制御安定化電源
４０ケーブル
４０１ａ～４０１ｇケーブル線
４０１ｈシールド部分
５０マイコン
５１基準電圧発生回路
５２切替手段
５３温度値保持手段
５４電圧値保持手段
５５温度センサ
５０１増幅回路
５０２増幅回路

Claims

２つの機器を相互に接続する、少なくとも２本以上のケーブル線を含む複合ケーブルの断線予測装置であって、
前記ケーブル線のうちの少なくとも１本は、複数の絶縁被覆された素線を用いた検出線であり、前記複合ケーブルは、一端において前記検出線と接続された基準線を有し、前記基準線は素線を相互に絶縁しないで束ねたものであり、
前記検出線と前記基準線との直列接続を含み、かつ前記直列接続が直列に挿入された１つの前記検出通電経路と、
基準電圧を発生する基準電圧発生源と、
前記基準電圧を前記検出通電経路に供給する電流制限抵抗と、
前記検出通電経路の電圧を検出する電圧検出手段と、を有し、
前記電圧検出手段で検出された前記検出通電経路の両端の検出電圧値の変化により前記検出線の断線率の増加を検出するものであって、
前記電圧検出手段は、前記検出線の両端の第一の電圧を検出する第一電圧検出手段と、前記基準線の両端の第二の電圧を検出する第二電圧検出手段と、を有し、
前記第一の電圧と第二の電圧の比率を用いて断線率を算出することを特徴とする複合ケーブルの断線予測装置。
静電的に荷電されるコーティング材料粒子を散布する静電コーティング装置に用いられる高電圧電源装置であって、
一次巻線及び二次巻線を有する高圧トランスと、前記二次巻線の誘起電圧を整流する高電圧整流器とを有し、前記高電圧整流器の出力電圧を、静電電位利用の塗装機器に供給する高電圧発生部と、
前記一次巻線に流れる電流をスイッチングする高電圧制御部と、
前記高電圧発生部と前記高電圧制御部とを接続する複合ケーブルとを備え、
前記複合ケーブルは、複数の絶縁被覆された素線を用いた検出線と、前記高電圧発生部において、前記検出線と接続された基準線とを有し、前記基準線は素線を相互に絶縁しないで束ねたものであり、
前記高電圧制御部は、
前記一次巻線に電圧を供給する第一の電源と、
基準電圧を発生する第二の電源と、
前記検出線及び前記基準線の直列接続を含む１つの検出通電経路に、前記基準電圧を供給する電流制限抵抗と、
前記検出線の両端の第一の電圧を検出する第一電圧検出手段と、
前記基準線の両端の第二の電圧を検出する第二電圧検出手段と、を有し、
前記高電圧制御部は、前記第一の電圧と第二の電圧の比率を用いて前記検出線の断線率を算出することを特徴とする静電コーティング装置用高電圧電源装置。
前記検出線と前記基準線は、前記一次巻線のセンタータップに接続され、また、前記一次巻線の他の端子の一つは、前記第一電圧検出手段及び前記第二電圧検出手段に接続し、
切替手段により、前記第一の電源出力と前記第二の電源出力を切り替えて前記検出線に供給し、前記検出線と前記基準線は前記一次巻線への電源供給線を兼ねることを特徴とする請求項２に記載の静電コーティング装置用高電圧電源装置。