JP7068220B2

JP7068220B2 - 操作スイッチに応じたディジタル信号を出力するディジタル信号出力装置

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Description

本発明は、操作スイッチに応じたディジタル信号を出力するディジタル信号出力装置に関する。

工作機械やロボットなどに設けられた操作スイッチの操作状態を、工作機械やロボットを制御する制御装置が処理可能なディジタル信号に変換するためのインタフェースとして、操作スイッチに応じたディジタル信号を出力するディジタル信号出力装置がある。このようなディジタル信号は、例えばディジタル入力信号またはＤＩ信号とも称される。ここで、工作機械やロボットを制御する制御装置には、例えば工作機械を制御する数値制御装置やロボットを制御するロボットコントローラが含まれる。

ディジタル信号出力装置は、操作スイッチの接点が閉成したときにオンのディジタル信号（ハイまたは１）を出力し、操作スイッチの接点が開路したときにオフのディジタル信号（ローまたは０）を出力する。工作機械やロボットを制御する制御装置は、ディジタル信号出力装置から出力されたオンオフのディジタル信号にて、操作スイッチの操作状態（開閉状態）を把握してその状態に応じた各種処理を実行することができる。

ディジタル信号出力装置においては、操作スイッチの一端である「コモン端子」に、工作機械、ロボットまたはこれらの制御装置と共通のコモン電圧が印加される。操作スイッチの接点が閉成すると、操作スイッチの他の一端である「出力端子」からは、コモン電圧に相当する電圧が出力される。一方、操作スイッチの接点が開放すると、操作スイッチの出力端子からは、コモン電圧に相当する電圧とは異なる電圧が出力される。ディジタル信号出力装置では、このように操作スイッチの出力端子から出力される電圧に応じて、オンオフのディジタル信号を生成し、出力している。このような動作原理の下、オンオフのディジタル信号が適切に生成されるようにするためには、操作スイッチの接点の開閉に応じて操作スイッチの出力端子から出力される電圧が異なった値となるようにする必要がある。このため、操作スイッチの出力端子には、抵抗（プルアップ抵抗またはプルダウン抵抗）を介して、コモン電圧とは異なる電圧が印加される。

例えば、第１の入力端子および第２の入力端子と、第１の入力および第２の入力を含む入力回路と、１つ以上のクロック信号によって制御される複数の入力スイッチであって、前記第１の入力端子と前記入力回路の前記第１の入力との間に電気的に接続された第１の入力スイッチと、前記第２の入力端子と前記入力回路の前記第２の入力との間に電気的に接続された第２の入力スイッチと、を含む、複数の入力スイッチと、第１の出力および第２の出力を備える電荷補償回路と、を備え、前記電荷補償回路が前記１つ以上のクロック信号の少なくとも１つの遷移に付随する前記複数の入力スイッチによって注入される電荷を補償するように構成される、電子回路が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

例えば、演算装置と検出装置とを有するデジタル出力装置であって、前記演算装置は、デジタル信号を外部へ出力する複数のデジタル回路を有するものであり、前記検出装置は、前記デジタル信号のうちの検出の対象とされる対象信号の論理値が予め決められた条件に合致するか否かを論理回路にて判定し、前記条件に合致したとき前記対象信号が不正であると判定するものであるデジタル出力装置が知られている（例えば、特許文献２参照。）。

例えば、外部に接続されるスイッチ手段の開閉状態に応じたデジタル信号をソース入力形式およびシンク入力形式で入力可能なインバータ装置において、前記各スイッチ手段の一端がそれぞれ接続される入力端子と、前記各スイッチ手段の他端が共通に接続されるコモン端子と、前記コモン端子をソース入力形式に対応した第１のコモン電位とシンク入力形式に対応した第２のコモン電位の何れかに接続する第１の切替手段と、前記各入力端子ごとに設けられ、ソース入力形式およびシンク入力形式のデジタル信号をそれぞれ入力する第１および第２の入力回路と、前記第１の切替手段と連動し、前記各入力形式に応じて前記入力端子を前記第１および第２の入力回路の何れかに接続する第２の切替手段とを備えていることを特徴とするインバータ装置が知られている（例えば、特許文献３参照。）。

例えば、接点入力やロジック等の入力信号を取り込む入力端子を備えたインターフェイス回路において、前記入力端子にプルアップ抵抗を接続する接続状態とプルダウン抵抗を接続する接続状態とを切替える切替手段と、この切替手段の切替接続状態を判別してシンク入力であるかソース入力であるかを判別する判別手段と、この判別手段の判別結果に基づいて、前記入力信号を反転させた信号を出力する信号出力状態と前記入力信号をそのまま出力する信号出力状態とを切替える信号切替手段とを備えたことを特徴とするインターフェイス回路が知られている（例えば、特許文献４参照。）。

特開２０１５－１８００６１号公報特開２０１５－０９９４１２号公報特開２００９－０５５６５６号公報特開平１１－１６１３９１号公報

一般に、工作機械、ロボットまたはこれらの制御装置といった機械ごとに、コモン電圧が設定されている。すなわち機械が異なればコモン電圧も異なるということであり、例えば０［Ｖ］のコモン電圧を有する機械もあれば２４［Ｖ］のコモン電圧を有する機械もある。このため、ディジタル信号出力装置は、複数種類のコモン電圧に対応できるよう汎用性を高めるため、操作スイッチの出力端子に、抵抗（プルアップ抵抗またはプルダウン抵抗）を介して複数種類の電圧を選択的に印加できるようにする切替えスイッチが設けられている。例えば、０［Ｖ］のコモン電圧を有する機械や２４［Ｖ］のコモン電圧を有する機械のいずれに操作スイッチが設けられても適切にオンオフのディジタル信号が生成できるようにするために、ディジタル信号出力装置は、２４［Ｖ］及び０［Ｖ］のうちのいずれかの電圧に切り替えるための切替えスイッチが設けられる。工作機械、ロボットまたはこれらの制御装置といった機械の設計者や作業者は、操作スイッチが設けられる機械のコモン電圧が０［Ｖ］である場合は切替えスイッチを２４［Ｖ］の電圧に切り替え、操作スイッチが設けられる機械のコモン電圧が２４［Ｖ］である場合は切替えスイッチを０［Ｖ］の電圧に切り替える。しかしながら、例えばサビの発生や異物の混入などに起因する接点不良や、機械の振動や衝撃などに起因する切り替え位置のずれなどといったような異常が切替えスイッチに発生すると、操作スイッチの出力端子に、抵抗を介してコモン電圧とは異なる電圧を印加できなくなる。その結果、ディジタル信号出力装置は誤動作し、適切にオンオフのディジタル信号が生成できなくなる。ディジタル信号出力装置内の切替えスイッチに異常が発生して適切なディジタル信号が生成されなくなると、工作機械やロボットが本来の動作とは異なる危険な動作をすることもあり得る。したがって、操作スイッチに応じたディジタル信号を出力するディジタル信号出力装置に異常が発生しても、操作スイッチが設けられた機械の危険を回避することができる安全性の高い技術が望まれている。

本開示の一態様によれば、ディジタル信号出力装置は、第１の電圧が印加される第１の端子と接点閉成時に第１の電圧が出力される第２の端子とを有する操作スイッチと、複数の一定電圧の中から、第１の電圧とは異なる第２の電圧が選択されて出力される電圧切替え部と、電圧切替え部から出力される電圧が、第２の電圧から変化したか否かを、所定の周期ごとに判定する電圧判定部と、電圧判定部により第２の電圧から変化しなかったと判定された場合において、第２の端子から第１の電圧が出力されるときは第１の状態を示すディジタル信号を、第２の端子から第１の電圧が出力されないときは第１の状態とは異なる第２の状態を示すディジタル信号を、周期ごとに生成するディジタル信号生成部とを備える。

本開示の一態様によれば、操作スイッチに応じたディジタル信号を出力するディジタル信号出力装置に異常が発生しても、操作スイッチが設けられた機械の危険を回避することができる安全性の高いディジタル信号出力装置を実現することができる。

本開示の一実施形態によるディジタル信号出力装置の構成を示す概略図である。コモン電圧が０［Ｖ］である場合に本開示の一実施形態によるディジタル信号出力装置を適用した場合の構成を示す図である。図２のディジタル信号出力装置内の電圧切替え部に異常が発生した場合を示す図である。図２のディジタル信号出力装置において操作スイッチの開閉状態とディジタル信号生成部から出力されるディジタル信号との関係を示す図であって、（Ａ）は電圧切替え部内の切替えスイッチに異常が無い場合を示し、（Ｂ）は電圧切替え部内の切替えスイッチに異常がある場合を示す。コモン電圧が０［Ｖ］である場合に従来のディジタル信号出力装置を適用した場合の構成を示す図であって、（Ａ）は電圧切替え部内の切替えスイッチに異常が無い場合を示し、（Ｂ）は電圧切替え部内の切替えスイッチに異常がある場合を示す。図５の従来のディジタル信号出力装置において操作スイッチの開閉状態とディジタル信号生成部から出力されるディジタル信号との関係を示す図であって、（Ａ）は電圧切替え部内の切替えスイッチに異常が無い場合を示し、（Ｂ）は電圧切替え部内の切替えスイッチに異常がある場合を示す。コモン電圧が２４［Ｖ］である場合に本開示の一実施形態によるディジタル信号出力装置を適用した場合の構成を示す図である。図７のディジタル信号出力装置内の電圧切替え部に異常が発生した場合を示す図である。図７のディジタル信号出力装置において操作スイッチの開閉状態とディジタル信号生成部から出力されるディジタル信号との関係を示す図であって、（Ａ）は電圧切替え部内の切替えスイッチに異常が無い場合を示し、（Ｂ）は電圧切替え部内の切替えスイッチに異常がある場合を示す。本開示の一実施形態によるディジタル信号出力装置おける信号処理タイミングを説明する図であって、（Ａ）は電圧切替え部内の切替えスイッチに異常が無い場合を示し、（Ｂ）は電圧切替え部内の切替えスイッチに異常がある場合を示す。本開示のさらなる実施形態の第１の形態によるディジタル信号出力装置の構成を示す概略図である。本開示のさらなる実施形態の第１の形態及び第２の形態によるディジタル信号出力装置の信号処理タイミングを説明する図である。本開示のさらなる実施形態の第３の形態によるディジタル信号出力装置の構成を示す概略図である。

以下図面を参照して、操作スイッチに応じたディジタル信号を出力するディジタル信号出力装置について説明する。理解を容易にするために、これらの図面は縮尺を適宜変更している。図面に示される形態は実施するための一つの例であり、図示された実施形態に限定されるものではない。

まず、本開示の一実施形態によるディジタル信号出力装置の構成について説明する。図１は、本開示の一実施形態によるディジタル信号出力装置の構成を示す概略図である。

ディジタル信号出力装置１は、操作スイッチ１１と、電圧切替え部１２と、電圧判定部１３と、ディジタル信号生成部１４とを備える。

以下で説明する第１の状態を示すディジタル信号及び第２の状態を示すディジタル信号は、オンオフのディジタル信号である。すなわち、第１の状態を示すディジタル信号及び第２の状態を示すディジタル信号いずれか一方がオン信号（ハイまたは１）であり、もう一方がオフ信号（ローまたは０）である。好ましくは、第１の状態を示すディジタル信号はオン信号（ハイまたは１）であり、第２の状態を示すディジタル信号はオフ信号（ローまたは０）である。

操作スイッチ１１は、第１の端子２１－１及び第２の端子２１－２を有する。操作スイッチ１１は例えばメカニカルスイッチである。第１の端子はコモン端子であり、第１の電圧であるコモン電圧が印加される。第２の端子にはディジタル信号生成部１４が接続される。操作スイッチ１１を作業者が操作することにより接点が閉成されると、第１の端子２１－１と第２の端子２１－２との間が導通し、第２の端子２１－２から第１の電圧であるコモン電圧が出力される。

電圧切替え部１２は、複数の一定電圧の中から、第１の電圧とは異なる第２の電圧が選択されて出力可能な電圧選択機能を有する。電圧切替え部１２は、複数の入力端子３１－１、３１－２、・・・、３１－ｎ（ただしｎは自然数）と、出力端子３２と、切替えスイッチ３３とを有する。

入力端子３１－１、３１－２、・・・、３１－ｎには、互いに異なる一定電圧Ｖ₁、Ｖ₂、・・・、Ｖ_nがそれぞれ印加される。一定電圧Ｖ₁、Ｖ₂、・・・、Ｖ_nには、第１の電圧であるコモン電圧とは異なる第２の電圧となり得る候補が含まれる。

切替えスイッチ３３は、出力端子３２の電気的接続先を複数の入力端子３１－１、３１－２、・・・、３１－ｎの中から選択的に切り替える。切替えスイッチ３３を作業者が操作することにより、複数の入力端子３１－１、３１－２、・・・、３１－ｎからの中から、出力端子３２の電気的接続先が１つ選択され、これにより、出力端子３２からは、選択された入力端子に印加されている一定電圧が出力される。上述のように、入力端子３１－１、３１－２、・・・、３１－ｎに印加される一定電圧Ｖ₁、Ｖ₂、・・・、Ｖ_nには、第１の電圧であるコモン電圧とは異なる第２の電圧となり得る候補が含まれる。出力端子３２からは、コモン電圧とは異なる第２の電圧が出力されるべきであるので、出力端子３２の接続先として第２の電圧が印加されている入力端子が選択される。

電圧判定部１３は、電圧切替え部１２の出力端子３２から出力される電圧を周期的に監視する。電圧判定部１３による電圧監視の周期は例えば数ミリ秒程度である。電圧判定部１３は、電圧切替え部１２の出力端子３２から出力される電圧が、第２の電圧から変化したか否かを、この周期ごとに判定する。電圧判定部１３による判定結果は、ディジタル信号生成部１４に通知される。

上述のように、電圧切替え部１２内の切替えスイッチ３３では、出力端子３２の接続先として、コモン電圧とは異なる第２の電圧が印加されている入力端子が選択されているので、切替えスイッチ３３に異常が無ければ、電圧判定部１３は、電圧切替え部１２の出力端子３２から第２の電圧が出力されていることを、各周期において検知する。しかしながら、電圧切替え部１２内の切替えスイッチ３３に、例えばサビの発生や異物の混入などに起因する接点不良や、機械の振動や衝撃などに起因する切り替え位置のずれなどといったような異常が後発的に発生すると、その異常発生時点から、電圧切替え部１２の出力端子３２からは第２の電圧が出力されなくなる。つまり、電圧切替え部１２の出力端子３２から出力される電圧が第２の電圧から変化したことを電圧判定部１３が検知したときは、電圧切替え部１２内の切替えスイッチ３３に何らかの異常が発生したということである。電圧判定部１３は、電圧切替え部１２の出力端子３２から出力される電圧が、第２の電圧から変化したか否かを所定の周期ごとに判定し、この判定結果を、ディジタル信号生成部１４に通知する。

ディジタル信号生成部１４は、操作スイッチ１１の第２の端子から出力される電圧と電圧判定部１３による判定結果とに基づき、第１の状態を示すディジタル信号、及び第１の状態とは異なる第２の状態を示すディジタル信号のいずれかを生成して出力する。より詳細には次の通りである。ディジタル信号生成部１４によるディジタル信号の生成及び出力処理は、所定の周期ごとに実行される。

ディジタル信号生成部１４は、電圧切替え部１２の出力端子３２から出力される電圧が第２の電圧から変化しなかったと電圧判定部１３により判定された場合において、操作スイッチ１１の第２の端子２１－２からコモン電圧（第１の電圧）が出力されるときは、第１の状態を示すディジタル信号を生成して出力する。この場合、電圧切替え部１２の出力端子３２から出力される電圧が第２の電圧から変化しなかったことから切替えスイッチ３３に異常は無く、なおかつ、操作スイッチ１１の接点が閉成されて第１の端子２１－１と第２の端子２１－２との間が導通して、第１の端子２１－１に印加されている第１の電圧であるコモン電圧が、第２の端子２１－２から出力されている。このように、ディジタル信号出力装置１は、電圧切替え部１２内の切替えスイッチ３３に異常がない場合は、操作スイッチ１１の接点の閉状態に対応して、第１の状態を示すディジタル信号を出力する。ディジタル信号生成部１４によるディジタル信号の生成及び出力処理は、所定の周期ごとに実行されるので、ディジタル信号出力装置１は、電圧切替え部１２内の切替えスイッチ３３に異常がない限りは、操作スイッチ１１の接点が閉成され続ければ、第１の状態を示すディジタル信号を出力し続ける。

また、ディジタル信号生成部１４は、電圧切替え部１２の出力端子３２から出力される電圧が第２の電圧から変化しなかったと電圧判定部１３により判定された場合において、操作スイッチ１１の第２の端子２１－２からコモン電圧（第１の電圧）が出力されないときは、第２の状態を示すディジタル信号を生成して出力する。この場合、電圧切替え部１２の出力端子３２から出力される電圧が第２の電圧から変化しなかったことから切替えスイッチ３３に異常は無く、なおかつ、操作スイッチ１１の接点は開放されて第１の端子２１－１と第２の端子２１－２との間は導通せず、第１の端子２１－１に印加されている第１の電圧であるコモン電圧は、第２の端子２１－２からは出力されない。このように、ディジタル信号出力装置１は、電圧切替え部１２内の切替えスイッチ３３に異常がない場合は、操作スイッチ１１の接点の開状態に対応して、第２の状態を示すディジタル信号を出力する。ディジタル信号生成部１４によるディジタル信号の生成及び出力処理は、所定の周期ごとに実行されるので、ディジタル信号出力装置１は、電圧切替え部１２内の切替えスイッチ３３に異常がない限りは、操作スイッチ１１の接点が開放され続ければ、第２の状態を示すディジタル信号を出力し続ける。

また、ディジタル信号生成部１４は、電圧切替え部１２の出力端子３２から出力される電圧が第２の電圧から変化したと電圧判定部１３により判定された場合は、第２の状態を示すディジタル信号を生成する。この場合、電圧切替え部１２の出力端子３２から出力される電圧が第２の電圧から変化したことから、当該変化の時点で切替えスイッチ３３に何らかの異常が発生したということである。このように、ディジタル信号出力装置１は、電圧切替え部１２内の切替えスイッチ３３に異常が発生した場合は、操作スイッチ１１の接点の開閉状態にかかわらず、第２の状態を示すディジタル信号を出力する。ディジタル信号生成部１４によるディジタル信号の生成及び出力処理は、所定の周期ごとに実行されるので、ディジタル信号出力装置１は、電圧切替え部１２内の切替えスイッチ３３に後発的に異常が発生したときは、当該異常発生時点から、第２の状態を示すディジタル信号を出力し続ける。

このように、本実施形態によれば、ディジタル信号出力装置１は、電圧切替え部１２内の切替えスイッチ３３に異常がない場合は、操作スイッチ１１の接点の閉状態に対応して第１の状態を示すディジタル信号を出力し、操作スイッチ１１の接点の開状態に対応して第２の状態を示すディジタル信号を出力する。また、ディジタル信号出力装置１は、電圧切替え部１２内の切替えスイッチ３３に異常が発生した場合は、第２の状態を示すディジタル信号を出力する。

電圧切替え部１２内の切替えスイッチ３３に異常が発生した場合も、電圧切替え部１２内の切替えスイッチ３３に異常がなくなおかつ操作スイッチ１１の接点の開状態にある場合と同様に、第２の状態を示すディジタル信号がディジタル信号出力装置１から出力されるようにしたのは次の理由による。一般に操作スイッチが操作されて接点が閉成されるのは、操作スイッチが設けられた工作機械やロボットに何らかの動作させるときであり、操作スイッチが操作されず接点が開放しているときは工作機械やロボットは停止を継続していることが多い。そこで、本実施形態によるディジタル信号出力装置１では、電圧切替え部１２内の切替えスイッチ３３に異常が発生した場合においても、操作スイッチ１１が操作されず接点が開放しているときと同様に工作機械やロボットを停止させるために、操作スイッチ１１の接点の開状態にある場合と同様に第２の状態を示すディジタル信号を出力する。これにより、電圧切替え部１２内の切替えスイッチ３３に異常が発生しても、操作スイッチ１１が設けられた機械の危険を回避することができる。

続いて、本実施形態によるディジタル信号出力装置１の適用例についていくつか列挙する。ここでは一例として、コモン電圧が０［Ｖ］の場合と２４［Ｖ］の場合について説明するが、例示されるコモン電圧の大きさはあくまでも一例であってこれ以外の数値であってもよい。また、以下で説明する例では、一例として、第１の状態を示すディジタル信号はオン信号（ハイまたは１）とし、第２の状態を示すディジタル信号はオフ信号（ローまたは０）としている。第１の状態を示すディジタル信号をオフ信号（ローまたは０）とし、第２の状態を示すディジタル信号をオン信号（ハイまたは１）としても、以下の説明は適用可能である。

図２は、コモン電圧が０［Ｖ］である場合に本開示の一実施形態によるディジタル信号出力装置を適用した場合の構成を示す図である。また、図３は、図２のディジタル信号出力装置内の電圧切替え部に異常が発生した場合を示す図である。また、図４は、図２のディジタル信号出力装置において操作スイッチの開閉状態とディジタル信号生成部から出力されるディジタル信号との関係を示す図であって、（Ａ）は電圧切替え部内の切替えスイッチに異常が無い場合を示し、（Ｂ）は電圧切替え部内の切替えスイッチに異常がある場合を示す。

図２及び図３に示す例では、一例として、ディジタル信号出力装置１は、複数種類のコモン電圧に対応できるよう汎用性を高めるため、電圧切替え部１２の入力端子３１－１及び３１－２に、例えば２４［Ｖ］及び０［Ｖ］がそれぞれ印加される構成を有している。０［Ｖ］のコモン電圧は、操作スイッチ１１のコモン端子である第１の端子２１－１に印加される。したがって、作業者は、コモン電圧とは異なる２４［Ｖ］が電圧切替え部１２の出力端子３２から出力されるよう、切替えスイッチ３３を操作して出力端子３２の接続先を入力端子３１－１に切り替える。これにより、電圧切替え部１２の出力端子３２からは、２４［Ｖ］が出力される。

操作スイッチ１１の第２の端子２１－２は、点Ｐ₁を介してディジタル信号生成部１４に接続される。点Ｐ₁には抵抗４２が接続され、抵抗４２の点Ｐ₁とは反対側の一端は接地される。電圧切替え部１２の出力端子３２は、点Ｐ₂を介して抵抗４１に接続される。抵抗４１の点Ｐ₂とは反対側の一端は、点Ｐ₁に接続される。また、点Ｐ₂には抵抗４３及び電圧判定部１３が接続される。抵抗４３の点Ｐ₂とは反対側の一端は接地される。抵抗４１の抵抗値をＲ₁［Ω］とし、抵抗４２の抵抗値をＲ₂［Ω］とし、抵抗４３の抵抗値をＲ₃［Ω］とする。

図２及び図４（Ａ）に示すように、電圧切替え部１２内の切替えスイッチ３３に異常が無い場合は、この切替えスイッチ３３により出力端子３２と入力端子３１－１とが電気的に接続されているので、電圧切替え部１２の出力端子３２からは、コモン電圧（第１の電圧）とは異なる第２の電圧である２４［Ｖ］が出力される。電圧切替え部１２の出力端子３２から出力される電圧を周期的に監視する電圧判定部１３は、操作スイッチ１１の開閉状態にかかわらず、２４［Ｖ］を検知し続け、電圧切替え部１２の出力端子３２から出力される電圧が２４［Ｖ］から変化していないと判定する。

図２及び図４（Ａ）に示すように、電圧切替え部１２内の切替えスイッチ３３に異常が無い場合に、操作スイッチ１１の接点が閉成されると、第１の端子２１－１と第２の端子２１－２との間が導通して、第１の端子２１－１に印加されているコモン電圧（第１の電圧）である０［Ｖ］が、第２の端子２１－２から出力される。この結果、ディジタル信号生成部１４は、第１の状態を示すディジタル信号であるオン信号を生成して出力する。また、図２及び図４（Ａ）に示すように、電圧切替え部１２内の切替えスイッチ３３に異常が無い場合に、操作スイッチ１１の接点が開放されると、第１の端子２１－１と第２の端子２１－２との間は導通しない。電圧切替え部１２の出力端子からは２４Ｖが出力されているので、点Ｐ₁では、２４×Ｒ₂／（Ｒ₁＋Ｒ₂）［Ｖ］の電圧が現れ、この電圧がディジタル信号生成部１４に入力される。この２４×Ｒ₂／（Ｒ₁＋Ｒ₂）［Ｖ］は、コモン電圧である０［Ｖ］とは異なる電圧である。この結果、ディジタル信号生成部１４は、第２の状態を示すディジタル信号であるオフ信号を生成して出力する。

図３及び図４（Ｂ）に示すように、電圧切替え部１２内の切替えスイッチ３３に異常が発生すると、出力端子３２と入力端子３１－１とは電気的に接続されない。このため、異常発生時点以降は、電圧切替え部１２の出力端子３２からは、第２の電圧である２４［Ｖ］は出力されず、点Ｐ₂には、抵抗４２の接地側の電圧である０［Ｖ］が現れる。電圧切替え部１２の出力端子３２から出力される電圧を周期的に監視する電圧判定部１３は、操作スイッチ１１の開閉状態にかかわらず、異常発生時点以降は、２４［Ｖ］ではなく０［Ｖ］を検知することになる。したがって、電圧判定部１３は、電圧切替え部１２の出力端子３２から出力される電圧が２４［Ｖ］から０［Ｖ］に変化したと判定する。この結果、ディジタル信号出力装置１は、操作スイッチ１１の接点の開閉状態にかかわらず、第２の状態を示すディジタル信号であるオフ信号を出力する。なお、電圧切替え部１２内の切替えスイッチ３３に異常が発生しているときは、点Ｐ₁には、抵抗４２の接地側の電圧である０［Ｖ］が現れるので、ディジタル信号生成部１４には０［Ｖ］が入力されることになるが、そもそもディジタル信号出力装置１は電圧切替え部１２の出力端子３２から出力される電圧が２４［Ｖ］から０［Ｖ］に変化したとの判定に基づきオフ信号を出力するので、ディジタル信号生成部１４には０［Ｖ］が入力されること自体は特に影響は及ぼさない。

図５は、コモン電圧が０［Ｖ］である場合に従来のディジタル信号出力装置を適用した場合の構成を示す図であって、（Ａ）は電圧切替え部内の切替えスイッチに異常が無い場合を示し、（Ｂ）は電圧切替え部内の切替えスイッチに異常がある場合を示す。また、図６は、図５の従来のディジタル信号出力装置において操作スイッチの開閉状態とディジタル信号生成部から出力されるディジタル信号との関係を示す図であって、（Ａ）は電圧切替え部内の切替えスイッチに異常が無い場合を示し、（Ｂ）は電圧切替え部内の切替えスイッチに異常がある場合を示す。

従来のディジタル信号出力装置１０１において、０［Ｖ］のコモン電圧は、操作スイッチ１１１のコモン端子である第１の端子１２１－１に印加される。したがって、作業者は、コモン電圧とは異なる２４［Ｖ］が電圧切替え部１１２の出力端子１３２から出力されるよう、切替えスイッチ１３３を操作して出力端子１３２の接続先を入力端子１３１－１に切り替える。これにより、電圧切替え部１１２の出力端子１３２からは、２４［Ｖ］が出力される。

操作スイッチ１１１の第２の端子１２１－２は、点Ｐ₁を介してディジタル信号生成部１１４に接続される。点Ｐ₁には抵抗１４２が接続され、抵抗１４２の点Ｐ₁とは反対側の一端は接地される。電圧切替え部１１２の出力端子１３２は、抵抗１４１に接続され、抵抗１４１はさらに点Ｐ₁に接続される。抵抗１４１の抵抗値をＲ₁［Ω］とし、抵抗１４２の抵抗値をＲ₂［Ω］とする。図５（Ａ）及び図６（Ａ）に示すように、電圧切替え部１１２内の切替えスイッチ１３３に異常が無い場合は、この切替えスイッチ１３３により出力端子１３２と入力端子１３１－１とが電気的に接続されているので、電圧切替え部１１２の出力端子１３２からは、コモン電圧（第１の電圧）とは異なる第２の電圧である２４［Ｖ］が出力される。

図５（Ａ）及び図６（Ａ）に示すように、電圧切替え部１１２内の切替えスイッチ１３３に異常が無い場合に、操作スイッチ１１１の接点が閉成されると、第１の端子１２１－１と第２の端子１２１－２との間が導通して、第１の端子１２１－１に印加されているコモン電圧（第１の電圧）である０［Ｖ］が、第２の端子１２１－２から出力される。この結果、ディジタル信号生成部１１４は、オン信号を生成して出力する。また、操作スイッチ１１１の接点が開放されると、第１の端子１２１－１と第２の端子１２１－２との間は導通しない。電圧切替え部１１２の出力端子１３２からは２４Ｖが出力されているので、点Ｐ₁では、２４×Ｒ₂／（Ｒ₁＋Ｒ₂）［Ｖ］の電圧が現れ、この電圧がディジタル信号生成部１４に入力される。この２４×Ｒ₂／（Ｒ₁＋Ｒ₂）［Ｖ］は、コモン電圧である０［Ｖ］とは異なる電圧である。この結果、ディジタル信号生成部１４は、オフ信号を生成して出力する。

図５（Ｂ）及び図６（Ｂ）に示すように、電圧切替え部１１２内の切替えスイッチ１３３に異常が発生すると、出力端子１３２と入力端子１３１－１とは電気的に接続されない。このため、電圧切替え部１１２の出力端子１３２からは、２４［Ｖ］は出力されず、点Ｐ₁には、抵抗１４２の接地側の電圧である０［Ｖ］が現れる。この点Ｐ₁に現れる電圧０［Ｖ］は、電圧切替え部１１２内の切替えスイッチ１３３に異常が無い場合に操作スイッチ１１１の接点が閉成されたときに点Ｐ₁に現れる電圧と同じである。したがって、電圧切替え部１１２内の切替えスイッチ１３３に異常が発生した場合は、ディジタル信号出力装置１は、操作スイッチ１１１の接点の開閉状態にかかわらず、オン信号を生成して出力する。つまり、電圧切替え部１１２内の切替えスイッチ１３３に異常が発生した場合は、点Ｐ₁に現れる電圧は、操作スイッチ１１１の接点が開放された場合に現れる２４×Ｒ₂／（Ｒ₁＋Ｒ₂）［Ｖ］の電圧ではなく、０［Ｖ］である。よって、ディジタル信号出力装置１は、本来であれば点Ｐ₁に現れる２４×Ｒ₂／（Ｒ₁＋Ｒ₂）［Ｖ］の電圧に基づきオフ信号を生成するはずであるが、点Ｐ₁に現れる０［Ｖ］の電圧に基づき、オン信号を出力してしまう。

このように、従来のディジタル信号出力装置１０１は、電圧切替え部１１２内の切替えスイッチ１３３に異常が発生した場合は、操作スイッチ１１１の接点が開放されたとき、ディジタル信号出力装置１０１からはオフ信号ではなく反転したオン信号が出力するという誤動作をすることになる。従来のディジタル信号出力装置１０１がこのような誤動作をすると、ディジタル信号出力装置１０１が取り付けられた工作機械やロボットは、本来の動作とは異なる危険な動作をすることもあり得る。一般に、操作スイッチ１１１が操作されて接点が閉成されてディジタル信号出力装置１０１から出力されるオン信号に基づき工作機械やロボットに何らかの動作し、操作スイッチ１１１が操作されず接点が開放しているときはディジタル信号出力装置１０１から出力されるオン信号に基づき工作機械やロボットは停止を継続していることが多い。しかしながら、従来のディジタル信号出力装置１０１は、電圧切替え部１１２内の切替えスイッチ１３３に異常が発生した場合は、操作スイッチ１１１が操作されず接点が開放していても上述のようにオフ信号ではなくオン信号を出力してしまい、本来は停止しているはずである工作機械やロボットが動作してしまう。このような意図せぬ工作機械やロボットの動作は非常に危険である。

これに対し、本実施形態によるディジタル信号出力装置１では、電圧切替え部１２内の切替えスイッチ３３に異常が発生した場合においても、操作スイッチ１１が操作されず接点が開放しているときと同様に工作機械やロボットを停止させるために、操作スイッチ１１の接点の開状態にある場合と同様に第２の状態を示すディジタル信号を出力する。これにより、電圧切替え部１２内の切替えスイッチ３３に異常が発生しても、操作スイッチ１１が設けられた機械の危険を回避することができる。

図７は、コモン電圧が２４［Ｖ］である場合に本開示の一実施形態によるディジタル信号出力装置を適用した場合の構成を示す図である。また、図８は、図７のディジタル信号出力装置内の電圧切替え部に異常が発生した場合を示す図である。また、図９は、図７のディジタル信号出力装置において操作スイッチの開閉状態とディジタル信号生成部から出力されるディジタル信号との関係を示す図であって、（Ａ）は電圧切替え部内の切替えスイッチに異常が無い場合を示し、（Ｂ）は電圧切替え部内の切替えスイッチに異常がある場合を示す。

図７及び図８に示す例では、一例として、ディジタル信号出力装置１は、複数種類のコモン電圧に対応できるよう汎用性を高めるため、電圧切替え部１２の入力端子３１－１及び３１－２に、例えば２４［Ｖ］及び０［Ｖ］がそれぞれ印加される構成を有している。２４［Ｖ］のコモン電圧は、操作スイッチ１１のコモン端子である第１の端子２１－１に印加される。したがって、作業者は、コモン電圧とは異なる０［Ｖ］が電圧切替え部１２の出力端子３２から出力されるよう、切替えスイッチ３３を操作して出力端子３２の接続先を入力端子３１－２に切り替える。これにより、電圧切替え部１２の出力端子３２からは、０［Ｖ］が出力される。

図７及び図９（Ａ）に示すように、電圧切替え部１２内の切替えスイッチ３３に異常が無い場合は、この切替えスイッチ３３により出力端子３２と入力端子３１－２とが電気的に接続されているので、電圧切替え部１２の出力端子３２からは、コモン電圧（第１の電圧）とは異なる第２の電圧である０［Ｖ］が出力される。電圧切替え部１２の出力端子３２から出力される電圧を周期的に監視する電圧判定部１３は、操作スイッチ１１の開閉状態にかかわらず、０［Ｖ］を検知し続け、電圧切替え部１２の出力端子３２から出力される電圧が０［Ｖ］から変化していないと判定する。

図７及び図９（Ａ）に示すように、電圧切替え部１２内の切替えスイッチ３３に異常が無い場合に、操作スイッチ１１の接点が閉成されると、第１の端子２１－１と第２の端子２１－２との間が導通して、第１の端子２１－１に印加されているコモン電圧（第１の電圧）である２４［Ｖ］が、第２の端子２１－２から出力される。この結果、ディジタル信号生成部１４は、第１の状態を示すディジタル信号であるオン信号を生成して出力する。また、図７及び図９（Ａ）に示すように、電圧切替え部１２内の切替えスイッチ３３に異常が無い場合に、操作スイッチ１１の接点が開放されると、第１の端子２１－１と第２の端子２１－２との間は導通しない。電圧切替え部１２の出力端子からは２４Ｖが出力されているので、点Ｐ₁では、抵抗４２の接地側の電圧である０［Ｖ］が現れ、この電圧がディジタル信号生成部１４に入力される。この０［Ｖ］は、コモン電圧である２４［Ｖ］とは異なる電圧である。この結果、ディジタル信号生成部１４は、第２の状態を示すディジタル信号であるオフ信号を生成して出力する。

図８及び図９（Ｂ）に示すように、電圧切替え部１２内の切替えスイッチ３３に異常が発生すると、出力端子３２と入力端子３１－２とは電気的に接続されない。このため、異常発生時点以降は、電圧切替え部１２の出力端子３２からは、第２の電圧である０［Ｖ］は出力されず、点Ｐ₂には、２４×Ｒ₃／（Ｒ₁＋Ｒ₃）［Ｖ］の電圧が現れる。電圧切替え部１２の出力端子３２から出力される電圧を周期的に監視する電圧判定部１３は、操作スイッチ１１の開閉状態にかかわらず、異常発生時点以降は、０［Ｖ］ではなく２４×Ｒ₃／（Ｒ₁＋Ｒ₃）［Ｖ］を検知することになる。したがって、電圧判定部１３は、電圧切替え部１２の出力端子３２から出力される電圧が０［Ｖ］から２４×Ｒ₃／（Ｒ₁＋Ｒ₃）［Ｖ］に変化したと判定する。この結果、ディジタル信号出力装置１は、操作スイッチ１１の接点の開閉状態にかかわらず、第２の状態を示すディジタル信号であるオフ信号を出力する。

続いて、本開示のさらなる一実施形態によるディジタル信号出力装置の形態について、いくつか列記する。

図１０は、本開示の一実施形態によるディジタル信号出力装置おける信号処理タイミングを説明する図であって、（Ａ）は電圧切替え部内の切替えスイッチに異常が無い場合を示し、（Ｂ）は電圧切替え部内の切替えスイッチに異常がある場合を示す。図１０では一例として、図２～図４を参照して説明したコモン電圧が０［Ｖ］である場合のディジタル信号出力装置１について説明する。

図１０（Ａ）に示すように、電圧切替え部１２内の切替えスイッチ３３に異常が無い場合は、電圧切替え部１２の出力端子３２からは、コモン電圧（第１の電圧）とは異なる第２の電圧である２４［Ｖ］が出力される。電圧切替え部１２の出力端子３２から出力される電圧を周期的に監視する電圧判定部１３は、操作スイッチ１１の開閉状態にかかわらず、２４［Ｖ］を検知し続け、電圧切替え部１２の出力端子３２から出力される電圧が２４［Ｖ］から変化していないと判定する。時刻ｔ₁で操作スイッチ１１の接点を閉状態から開状態に切り替わると、ディジタル信号生成部１４へ入力される電圧（図２の点Ｐ₁の電圧）は０［Ｖ］から２４×Ｒ₂／（Ｒ₁＋Ｒ₂）［Ｖ］に変化し、これを受けてディジタル信号生成部１４は、出力をオン信号からオフ信号に切り替える。ここで、ディジタル信号生成部１４が、入力される電圧の変化を受けてから出力するディジタル信号を切り替えるまで要する時間を「ｔ₂－ｔ₁」とする。

図１０（Ｂ）に示すように、仮に時刻ｔ₁において、電圧切替え部１２内の切替えスイッチ３３に異常が発生し、これと同時に操作スイッチ１１の接点が閉状態から開状態に切り替わったとする。この場合、時刻ｔ₁以降は、電圧切替え部１２の出力端子３２からは、第２の電圧である２４［Ｖ］は出力されず、点Ｐ₂には、抵抗４２の接地側の電圧である０［Ｖ］が現れる。電圧切替え部１２の出力端子３２から出力される電圧を周期的に監視する電圧判定部１３は、時刻ｔ₁以降は、２４［Ｖ］ではなく０［Ｖ］を検知することになる。一方、ディジタル信号生成部１４へ入力される電圧（図２の点Ｐ₁の電圧）は時刻ｔ₁以降も０［Ｖ］のままである。よって、ディジタル信号生成部１４は、出力をオン信号からオフ信号に切り替える。図１０（Ａ）において説明したようにディジタル信号生成部１４が、入力される電圧の変化を受けてから出力するディジタル信号を切り替えるまで要する時間を「ｔ₂－ｔ₁」としたので、ディジタル信号生成部１４は時刻ｔ₂以降にオフ信号を出力する。このように電圧切替え部１２内の切替えスイッチ３３の異常発生と操作スイッチ１１の接点の閉から開への切替えが同時刻（図１０（Ｂ）の時刻ｔ₁）に発生すると、ディジタル信号生成部１４によるオン信号からオフ信号への切替えは、切替えスイッチ３３の異常発生に起因するものなのか、操作スイッチ１１の接点の閉から開への切替えに起因するものなのか、区別がつかない。また、電圧切替え部１２内の切替えスイッチ３３に異常が発生したらその時点ですぐにオフ信号を出力するのが、より安全であるといえる。そこで、本開示のさらなる一実施形態の第１の形態及び第２の形態では、電圧判定部１３及びディジタル信号生成部１４の処理周期の一期間中において、電圧判定部１３による判定結果が、ディジタル信号生成部１４による生成処理において優先されるようにする。以下、この実施形態の形態例についていくつか列記する。

本開示のさらなる一実施形態による第１の形態では、操作スイッチ１１の第２の端子２１－２とディジタル信号生成部１４との間にフィルタ回路を設けることで、電圧判定部１３による判定結果が、ディジタル信号生成部１４による生成処理において優先されるようにする。図１１は、本開示のさらなる実施形態の第１の形態によるディジタル信号出力装置の構成を示す概略図である。

図１１に示すように、ディジタル信号生成部１４の前段の点Ｐ₃に、フィルタ回路１５を設ける。上述のように、電圧判定部１３による判定処理及びディジタル信号生成部１４による生成処理は、同じ周期で繰り返し実行されるものである。フィルタ回路１５を設けることで、電圧判定部１３及びディジタル信号生成部１４の処理周期の一期間中において、ディジタル信号生成部１４が操作スイッチ１１の第２の端子２１－２の電圧を取得するタイミングが、電圧判定部１３が電圧切替え部１２の出力端子３２の電圧を取得するタイミングよりも遅くなる。

本開示のさらなる一実施形態による第２の形態では、電圧判定部１３及びディジタル信号生成部１４の処理周期の一期間中において、電圧判定部１３が電圧切替え部１２の出力端子３２から出力される電圧を取得するタイミングを、ディジタル信号生成部１４が操作スイッチ１１の第２の端子２１－２の電圧を取得するタイミングよりも早く設定することで、電圧判定部１３による判定結果が、ディジタル信号生成部１４による生成処理において優先されるようにする。電圧判定部１３及びディジタル信号生成部１４の処理周期の一期間中において、電圧判定部１３が電圧切替え部１２の出力端子３２の電圧を取得するタイミングを、ディジタル信号生成部１４が操作スイッチ１１の第２の端子２１－２の電圧を取得するタイミングよりも早くする。その結果、電圧切替え部１２内の切替えスイッチ３３に異常が発生した場合における電圧判定部１３による判定結果を受信したディジタル信号生成部１４は、オフ信号をすぐに生成して出力する。

図１２は、本開示のさらなる実施形態の第１の形態及び第２の形態によるディジタル信号出力装置の信号処理タイミングを説明する図である。

図１２に示すように、時刻ｔ₁において、電圧切替え部１２内の切替えスイッチ３３に異常が発生し、これと同時に操作スイッチ１１の接点が閉状態から開状態に切り替わったとする。この場合、時刻ｔ₁以降は、電圧切替え部１２の出力端子３２からは、第２の電圧である２４［Ｖ］は出力されず、点Ｐ₂には、抵抗４２の接地側の電圧である０［Ｖ］が現れる。電圧切替え部１２の出力端子３２から出力される電圧を周期的に監視する電圧判定部１３は、時刻ｔ₁以降は、２４［Ｖ］ではなく０［Ｖ］を検知することになる。よって、時刻ｔ₁の時点でディジタル信号生成部１４は、出力をオン信号からオフ信号に切り替える。このように、本開示のさらなる実施形態の第１の形態及び第２の形態によれば、図１０（Ｂ）の場合に比べて、電圧切替え部１２内の切替えスイッチ３３に異常が発生した場合におけるオフ信号の出力を、より早くすることができる。

なお、上述の本開示のさらなる一実施形態による第１の形態及び第２の形態については、一例として、コモン電圧が０［Ｖ］である場合について説明したが、これ以外の大きさのコモン電圧であっても、これら第１の形態及び第２の形態は適用可能である。

本開示のさらなる一実施形態による第３の形態は、電圧切替え部１２内の切替えスイッチ３３に異常が発生した場合に、ディジタル信号生成部１４によるオフ信号の出力に加え、アラーム信号を別途発生するようにしたものである。図１３は、本開示のさらなる実施形態の第３の形態によるディジタル信号出力装置の構成を示す概略図である。

図１３に示すように、本開示のさらなる実施形態の第３の形態によれば、ディジタル信号出力装置１は、さらに、電圧判定部１３により第２の電圧から変化したと判定された場合すなわち電圧切替え部１２の切替えスイッチ３３に異常が発生した場合に、電圧切替え部１２の異常を示すアラーム信号を生成するアラーム信号生成部１６を備える。アラーム信号生成部１６により生成されたアラーム信号は、ディジタル信号出力装置１が設けられた工作機械やロボットの制御装置に送られる。アラーム信号を受信した制御装置は、工作機械やロボットに対し、例えばアラーム停止や保護動作を実行することができる。このように電圧切替え部１２の切替えスイッチ３３に異常が発生した場合に、ディジタル信号生成部１４によるオフ信号（第２の状態を示すディジタル信号）の出力に加え、アラーム信号生成部１６によるアラーム信号の出力が行われることで、操作スイッチが設けられた機械の危険をより確実に回避することができるようになる。

なお、上述した電圧判定部１３、ディジタル信号生成部１４及びアラーム信号生成部１６は、例えばソフトウェアプログラム形式で構築されてもよく、あるいは各種電子回路とソフトウェアプログラムとの組み合わせで構築されてもよい。例えばこれらをソフトウェアプログラム形式で構築する場合は、演算処理装置をこのソフトウェアプログラムに従って動作させることで、上述の各部の機能を実現することができる。またあるいは、電圧判定部１３、ディジタル信号生成部１４及びアラーム信号生成部１６を、各部の機能を実現するソフトウェアプログラムを書き込んだ半導体集積回路として実現してもよい。電圧判定部１３、ディジタル信号生成部１４及びアラーム信号生成部１６の各機能を実現するソフトウェアプログラムを実行する演算処理装置は、単体の集積回路（ＩＣ）で構成されてもよく、あるいは、工作機械、ロボットもしくはこれらの制御装置内の演算処理装置内に設けてもよい。また、フィルタ回路１５については、アナログ電子回路にて構築されてもよく、あるいは、ソフトウェアプログラム形式で構築して演算処理装置に動作させることで実現してもよい。上述の各部の機能を実現する。

１ディジタル信号出力装置
１１操作スイッチ
１２電圧切替え部
１３電圧判定部
１４ディジタル信号生成部
１５フィルタ回路
１６アラーム信号生成部
２１－１第１の端子
２１－２第２の端子
３１－１、３１－２、・・・、３１－ｎ入力端子
３２出力端子
３３切替えスイッチ

Claims

第１の電圧が印加される第１の端子と、接点閉成時に前記第１の電圧が出力される第２の端子とを有する操作スイッチと、
複数の一定電圧の中から、前記第１の電圧とは異なる第２の電圧が選択されて出力される電圧切替え部と、
前記電圧切替え部から出力される電圧が、前記第２の電圧から変化したか否かを、所定の周期ごとに判定する電圧判定部と、
前記電圧判定部により前記第２の電圧から変化しなかったと判定された場合において、前記第２の端子から前記第１の電圧が出力されるときは第１の状態を示すディジタル信号を、前記第２の端子から前記第１の電圧が出力されないときは前記第１の状態とは異なる第２の状態を示すディジタル信号を、前記周期ごとに生成するディジタル信号生成部と、
を備え、
前記ディジタル信号生成部は、前記電圧判定部により前記第２の電圧から変化したと判定された場合は、前記第２の状態を示すディジタル信号を生成し、
前記周期の一期間中において、前記電圧判定部が前記電圧切替え部から出力される電圧を取得するタイミングは、前記ディジタル信号生成部が前記第２の端子の電圧を取得するタイミングよりも早く設定される、ディジタル信号出力装置。
前記第１の電圧はコモン電圧である、請求項１に記載のディジタル信号出力装置。
前記第１の状態を示すディジタル信号及び前記第２の状態を示すディジタル信号は、いずれか一方がオン信号であり、もう一方がオフ信号である、請求項１または２に記載のディジタル信号出力装置。
前記電圧切替え部は、印加される前記一定電圧が異なる複数の入力端子と、出力端子と、前記出力端子の接続先を前記複数の入力端子の中から選択的に切り替える切替えスイッチと、を有し、
前記複数の入力端子に印加される電圧は、前記第２の電圧を含む、請求項１～３のいずれか一項に記載のディジタル信号出力装置。
前記操作スイッチと前記ディジタル信号生成部との間に設けられるフィルタ回路をさらに備える、請求項１～４のいずれか一項に記載のディジタル信号出力装置。
前記電圧判定部により前記第２の電圧から変化したと判定された場合は、前記電圧切替え部の異常を示すアラーム信号を生成するアラーム信号生成部をさらに備える、請求項１～５のいずれか一項に記載のディジタル信号出力装置。