JP7094116B2 - 安全スイッチ - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念による、安全スイッチに関する。

この種の安全スイッチは、安全技術領域で使用され、この場合これらは特に機械および設備の危険領域を監視するために使用される。

安全スイッチは、自身の監視機能に応じてスイッチング信号を生成し、このスイッチング信号は、例えば監視すべき機械を制御する制御部に出力される。安全スイッチによって、危険のない状態が検出される場合には、特に監視すべきドアが閉められていることが検出される場合には、予防安全条件に応じて、すなわちイネーブル信号に応じて、スイッチング状態が「スイッチオン状態」であるスイッチング信号が生成される。制御部が安全スイッチからこのイネーブル信号を受信すると、制御部は機械を運転開始させたりもしくは作動させたりすることができる。しかしながら安全スイッチによって、危険をもたらす状態が検出される場合、例えばドアが開けられていることが記録される場合には、これにより、衝突安全条件に応じて、スイッチング状態が「スイッチオフ状態」であるスイッチング信号が生成される。このケースでは、制御部は、危険をもたらす状態の回避のために、機械をスイッチオフする。

公知の安全スイッチは、読み取りヘッドと、該読み取りヘッドに対して相対的に移動するアクチュエータと、を備え、この場合アクチュエータにはトランスポンダが設けられている。安全スイッチによって、ドア、特に保護ドアが、危険領域に対するアクセスとして監視されるケースに対しては、典型的にはアクチュエータがドアに配置されている。したがって、読み取りヘッドは、ドアを取り囲むフレームに存在する。そのように構成された安全スイッチにより、読み取りヘッドが、トランスポンダによって生成された符号化信号を受信した場合には、危険のない状態に相応するスイッチング信号が生成される。したがって、ドア監視の場合には、このことは、ドアが閉じられていて、それによってトランスポンダは読み取りヘッドから僅かな距離に存在する場合に該当する。さらに、そのように構成された安全スイッチにより、読み取りヘッドがトランスポンダの信号を受信しない場合には、危険をもたらす状態に相応するスイッチング信号が生成される。ドア監視の場合には、このことは、ドアが開かれていて、それによってトランスポンダは読み取りヘッドから大きく離れた距離に存在する場合に該当する。

本発明が基礎とする課題は、機能性を向上させた安全スイッチを提供することである。

前記課題の解決のために、請求項１の特徴部分が想定される。好ましい実施形態およびこの目的のための改善構成は、従属請求項に記載されている。

本発明は、読み取りヘッドと、該読み取りヘッドに対して相対的に移動しかつトランスポンダを有するアクチュエータと、を備えた安全スイッチに関している。読み取りヘッドを用いて、トランスポンダの符号化された信号が検出可能である。符号化された信号を検出するための検出手段として、読み取りヘッドは、計算器ユニットによって制御された共振回路を有しており、この場合当該共振回路によって検出されたトランスポンダの信号の振幅評価によって、アクチュエータと読み取りヘッドとの間の距離が求められる。そのように求められた距離信号に依存して制御信号が生成される。

本発明による安全スイッチの実質的な利点は、この安全スイッチによって生成される制御信号が、求められた距離信号に依存して所期のように設定および調整され得る点にある。これにより、公知の安全スイッチよりも実質的に高い機能性が生じる。なぜなら、そこでは制御信号が、読み取りヘッド内のトランスポンダ信号のコードの認識または非認識によって固定的に設定されるからである。

ここでは、トランスポンダの信号の振幅評価が、トランスポンダとアクチュエータとの距離に対する一義的な尺度を供給することが重要である。この場合距離信号の振幅は、距離が大きければ大きいほど小さくなる。アクチュエータと読み取りヘッドとの間の距離は、危険をもたらす状態が存在するか否かに関する信頼できる情報を供給する。特に、距離信号に基づいて、監視すべきドアが閉じられているか否かを求めることができる。したがって、基本的には、制御信号は、求められた距離信号から単独で導出することができる。しかしながら特に好ましくは、制御信号の生成の際に距離信号だけが用いられるのではなく、トランスポンダのコードの認識も用いられるので、安全スイッチの機能安全性が大幅に高められる。

安全スイッチが危険領域監視のためだけに使用されるケースに対しては、安全スイッチ内で生成された制御信号は、安全スイッチによって直接外部に与えられかつ制御部に読み取られるスイッチング信号を形成することができる。この制御部は、それによって、危険をもたらす機械または設備を制御し、特に運転を停止させるかまたは運転を開始させる。

複数の安全スイッチが危険領域監視のために使用され、例えば直列回路を形成するケースに対しては、すべての安全スイッチの制御信号が結合または清算され、したがってこの場合、このスイッチング信号は制御部に出力され、当該制御部は危険をもたらす機械または設備を制御する。

特に好ましくは、制御信号がコンフィグレーション可能である。

このコンフィグレーションは、特に計算器ユニット内で、求められた距離信号と比較されるスイッチオン距離とスイッチオフ距離とがコンフィグレーション可能な変数として設定されることで行うことができる。

距離信号がスイッチオン距離を下回っている場合には、危険のない状態に対する基準レベルが存在しており、そのためそれに応じた制御信号として、危険をもたらす機械または設備の運転を開始させることができるスイッチオン制御信号を生成することができる。それに対して、距離信号がスイッチオフ距離を上回っている場合には、危険をもたらす状態に対する基準レベルが存在しており、そのためそれに応じた制御信号として、危険をもたらす機械または設備を停止させることができるスイッチオフ制御信号を生成することができる。

特に好ましくは、距離信号の距離値がスイッチオン距離よりも小さい場合、およびトランスポンダのコードが認識された場合に、計算器ユニット内で、スイッチオン制御信号が生成される。

さらに、距離信号の距離値がスイッチオフ距離よりも大きい場合、またはトランスポンダのコードが認識されていない場合に、計算器ユニット内で、スイッチオフ制御信号が生成される。

これにより、安全スイッチの監視機能の特に高い安全性および信頼性が得られる。このことは、特に次のことによって達成される。すなわち、２つの安全条件がＡＮＤ結合で実現された場合にのみ、詳細には求められた距離がスイッチオン制御信号よりも小さい場合、およびトランスポンダのコードが認識された場合にのみ、危険をもたらす機械の運転を開始させるためのスイッチオン制御信号が生成されることによって達成される。

スイッチオン距離およびスイッチオフ距離がコンフィグレーション可能なことによって、製造プロセスにおける製造許容誤差を補償することができる。それにより、安全スイッチはこの種の製造許容誤差には左右されない。

さらに、スイッチオン距離およびスイッチオフ距離は、顧客固有の要件に応じてコンフィグレーションすることも可能である。それにより、それぞれのハードウェアまたはソフトウェアを変更することなく、唯１つの安全スイッチを用いるだけで、様々な用途を実現することができるようになる。

最後に、適切なコンフィグレーションによってスイッチオフ距離は次のようにコンフィグレーションすることができる。すなわち、これが、安全スイッチの誤差考慮のもとで生じる安全なスイッチオフ距離と十分に一致するようにコンフィグレーションすることができる。このことは安全技術的要件に関して有利となる。

安全スイッチの読み取りヘッドにより、アクチュエータが当該読み取りヘッドに対して十分に短い距離に存在している場合に、トランスポンダのコードが検出される。その際、トランスポンダの信号は、１つのコードに対応する振幅変調を有している。

好ましくは、トランスポンダ信号の振幅変調は、距離決定のための振幅評価に対しても使用される。この場合、トランスポンダの信号の振幅評価は、その変調度が決定されるように行われる。

この変調度は、振幅変調された信号の順次連続する極大値と極小値との間の差分として定められる。

本発明の好ましい実施形態によれば、計算器ユニット内で、共振回路を励振するための励振信号が生成される。

励磁コイルを用いた励振信号により、電磁場が生成され、該電磁場は、共振回路の影響領域内に存在するトランスポンダの信号によって影響される。

それにより計算器ユニットは、トランスポンダの信号を読み取るために共振回路を駆動制御するような中央制御機能を担う。さらに、計算器ユニット内では信号評価も行われ、この場合一方ではコード認識のために、他方では距離算出のために、好ましくは分離された評価チャネルが計算器ユニット内に設けられている。

特に好ましくは、計算器ユニット内で、共振回路のためのコントロール信号が生成される。

特にこのコントロール信号は、共振回路の供給電圧を監視するために使用され、それによって共振回路内の変化を診断することができる。一般的には、このコントロール信号を用いることで共振回路の再現可能なコントロールされた特性が保証されるため、共振回路の変化による測定信号の改ざんを十分に排除することができるようになる。

安全技術に係る領域において使用するための要件を満たすために、計算器ユニットは冗長的構造を有している。

特に計算器ユニットは、２つのマイクロコントローラまたは２つのＡＳＩＣを有している。一般に、計算器ユニットは、その他の数のマイクロコントローラまたはＡＳＩＣを有することも可能である。最後に、計算器ユニットは、単一チャネル構造を有することもできる。

したがって、制御機能および信号評価はマイクロコントローラのソフトウェアで実現される。

代替的にＡＳＩＣなどの形態のハードウェア指向の実現が想定されていてもよい。

好ましい実施形態によれば、安全スイッチはタンブラを有する。

そのようなタンブラを用いることにより、アクチュエータは、閉鎖位置において読み取りヘッドに固定される、すなわち保持される。このタンブラは、機械的ユニットとして、または電磁石などを有する電気的ユニットとして構成されていてもよい。

以下では、本発明を図面に基づいて説明する。

本発明による安全スイッチの一実施形態の概略図 図１による安全スイッチの計算器ユニット内で実行される信号評価の線図

図１は、本発明による安全スイッチ１の構造を概略的に示す。この安全スイッチ１は、特に人々にとって危険と見なすことのできる機械または設備へのアクセスとしてドアを監視するために使用することができる。

安全スイッチ１は、読み取りヘッド２とアクチュエータ３とを備える。ドアの監視では、アクチュエータ３は、典型的には移動するドアに存在し、それに対して読み取りヘッド２は、フレームなどに定置的に配置される。ドアがその閉鎖位置に移動した場合、アクチュエータ３は、読み取りヘッド２の図示されていない収容部内で支承され、そこにおいて好ましくは同様に図示されていないタンブラによって保持される。

図１から明らかなように、アクチュエータ３はトランスポンダ４を有している。読み取りヘッド２は、２つのマイクロコントローラ５ａ，５ｂを有する冗長的な計算器ユニットを有している。さらに、読み取りヘッド２は、ドライバ回路７を介してマイクロコントローラのうちの１つ５ａによって駆動制御される共振回路６を有している。この共振回路６により、トランスポンダ４の信号が検出可能である。これによって生成される共振回路６の測定信号は、好ましくは、測定信号中の負のパルスを消去する減結合回路を介して２つのマイクロコントローラ５ａ，５ｂに供給される。共振回路６の測定信号に依存して、マイクロコントローラ５ａ，５ｂ内では制御信号が、本明細書のケースではスイッチング信号が生成され、これらは出力側８ａ，８ｂに案内される。出力側８ａ，８ｂにおけるスイッチング信号は、図には示されていない制御部に供給され、この制御部を用いて、監視すべき機械または設備が制御される。マイクロコントローラ５ａ，５ｂを介して出力側８ａ，８ｂに出力されるスイッチング信号は、それぞれ１つのフィードバック線路９ａ，９ｂを介してこれらのユニットの機能検査のために、他方のマイクロコントローラ５ｂ，５ａにフィードバックされる。

スイッチング信号は、当該スイッチング信号を用いて、監視すべき機械または設備の運転が、本明細書のケースではドアが閉じられていてロックされている場合に付与される、危険をもたらす状態が存在しない場合にのみトリガされるようになっている。そうでない場合は、スイッチング信号によって機械または設備が停止される。

安全スイッチ１の機能モードは、マイクロコントローラ５ａにおいて、出力信号、特にパルス幅変調された信号がドライバ回路７を介して共振回路６に出力されるようになっている。そのように励振された共振回路６により、共振回路６の励磁コイル内で電磁場が生成される。電磁場の絶対値は、近接場においては共振回路６までの距離の２乗に反比例して次第に弱まる。トランスポンダ４が共振回路６の影響領域内に存在するならば、励磁コイルの電磁場によってエネルギーはトランスポンダ４のコイル内に入力結合される。トランスポンダ４内のエネルギーが十分であれば、トランスポンダ４は記憶されたコードをコイルを用いて読み取りヘッド２に送信する。このコードに応じて振幅変調された信号の送信は、負荷変調によって行われる。この負荷変調では、電磁場から短絡によってエネルギーが奪われる。この電磁場のエネルギーの変化は、共振回路６の励磁コイルにおいて見える。すなわち、トランスポンダ４のコードに応じて振幅変調された信号が共振回路６に記録される。磁場の変化は、読み取りヘッド２とアクチュエータ３との距離に直接依存する。すなわち、共振回路６に記録されるトランスポンダ４の振幅変調された信号は、読み取りヘッド２とトランスポンダ４との間の距離に対する直接的な尺度を供給する。

マイクロコントローラ５ａ，５ｂでは、共振回路６に記録された信号に基づいて、トランスポンダ４のコード認識も距離の決定も行われる。この目的のためにマイクロコントローラ５ａ，５ｂのソフトウェアにおいて想定される評価は、図２に概略的に示されている。共振回路６の信号の読み取りは、データ記録部１０が引き継ぐ。第１の評価分岐には、信号フィルタリングのためのフィルタ１１、トランスポンダ４の信号を復号するための復号ユニット１２、およびコードを評価するためのコード評価ユニット１３が含まれる。

第２の評価分岐には、距離算出ユニット１４が含まれる。そこではトランスポンダ４の信号の振幅評価によって、読み取りヘッド２までのアクチュエータ３の距離が決定される。

距離算出ユニット１４では、共振回路６が供給する距離信号の評価のために、コンフィグレーション可能な変数として、スイッチオン距離およびスイッチオフ距離が設定されている。これらのスイッチオン距離およびスイッチオフ距離は、求められた距離信号と比較される閾値を形成し、この場合スイッチオン距離はスイッチオフ距離よりも小さい。

距離算出ユニット１４とコード評価ユニット１３とにおける信号評価の結果に依存して、計算器ユニット内では制御信号が生成される。これらの制御信号はスイッチング信号として、出力側８ａ，８ｂを介して、監視すべき機械または設備を駆動制御するための制御部に出力される。

その際、距離信号の距離値がスイッチオン距離よりも小さいと同時にトランスポンダ４のコードがコード評価ユニット１３において認識される場合に、計算器ユニットで制御信号としてスイッチオン制御信号が生成される。これらの条件が満たされる場合には、ドアが閉じられていて危険をもたらす状態が存在しないということが確実に保証される。それゆえ、スイッチオン制御信号により、監視すべき機械または設備の運転がトリガされる。

計算器ユニットでは、距離信号の距離値がスイッチオフ距離よりも大きい場合、またはトランスポンダ４のコードが認識されない場合に、スイッチオフ制御信号が生成される。 このように、危険のない状態、すなわちドアが閉じられていることに対する条件のうちの少なくとも１つが存在しないので、このことは計算器ユニット内で、危険をもたらす状態として評価される。それにより、スイッチング信号として、スイッチオフ制御信号が監視すべき機械または設備の運転を停止させる制御部に出力される。

１ 安全スイッチ
２ 読み取りヘッド
３ アクチュエータ
４ トランスポンダ
５ａ，５ｂ マイクロコントローラ
６ 共振回路
７ ドライバ回路
８ａ，８ｂ 出力側
９ａ，９ｂ フィードバック線路
１０ データ記録部
１１ フィルタ
１２ 復号ユニット
１３ コード評価ユニット
１４ 距離算出ユニット

Claims (10)

1. 読み取りヘッド（２）と、前記読み取りヘッド（２）に対して相対的に移動しかつトランスポンダ（４）を有するアクチュエータ（３）と、を備えた安全スイッチ（１）であって、
   前記読み取りヘッド（２）を用いて、前記トランスポンダ（４）の符号化された信号が検出可能である、安全スイッチ（１）において、
   符号化された信号を検出するための検出手段として、前記読み取りヘッド（２）は、計算器ユニットによって制御された共振回路（６）を有しており、
   前記共振回路（６）によって検出された、前記トランスポンダ（４）の信号の振幅評価によって、前記アクチュエータ（３）と前記読み取りヘッド（２）との間の距離が求められ、
   そのように求められた距離信号に依存して制御信号が生成され、
   前記計算器ユニット内で、前記求められた距離信号と比較される、スイッチオン距離とスイッチオフ距離とが、コンフィグレーション可能な変数として設定され、
   前記距離信号の距離値が前記スイッチオン距離よりも小さい場合、および、前記トランスポンダ（４）のコードが認識されている場合に、前記計算器ユニット内で、スイッチオン制御信号が生成され、
   前記スイッチオン距離は、前記スイッチオフ距離よりも小さく、
   前記共振回路（６）内で生成された信号は、減結合回路を介して前記計算器ユニットに供給される、
   安全スイッチ。
2. 前記距離信号の距離値が前記スイッチオフ距離よりも大きい場合、または、前記トランスポンダ（４）のコードが認識されていない場合に、前記計算器ユニット内で、スイッチオフ制御信号が生成される、
   請求項１記載の安全スイッチ。
3. 前記トランスポンダ（４）の信号は、１つのコードに対応する振幅変調を有している、
   請求項１または２記載の安全スイッチ。
4. 前記トランスポンダ（４）の信号の振幅評価は、前記信号の変調度が決定されるように行われる、
   請求項３記載の安全スイッチ。
5. 前記計算器ユニット内で、前記共振回路（６）を励振するための励振信号が生成される、
   請求項１から４までのいずれか１項記載の安全スイッチ。
6. 励磁コイルを用いた励振信号により、電磁場が生成され、前記電磁場は、前記共振回路（６）の影響領域内に存在するトランスポンダ（４）の信号によって影響される、
   請求項５記載の安全スイッチ。
7. 前記計算器ユニット内で、前記共振回路（６）のためのコントロール信号が生成される、
   請求項１から６までのいずれか１項記載の安全スイッチ。
8. 前記計算器ユニットは、冗長的構造を有している、
   請求項１から７までのいずれか１項記載の安全スイッチ。
9. 前記計算器ユニットは、２つのマイクロコントローラ（５ａ，５ｂ）または２つのＡＳＩＣを有している、
   請求項８記載の安全スイッチ。
10. 前記安全スイッチは、タンブラを有している、
    請求項１から９までのいずれか１項記載の安全スイッチ。

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