JP4734581B2 - ブレーキ駆動制御回路 - Google Patents

Description

本発明は、ブレーキを駆動制御するブレーキ駆動制御回路に関するものであって、特に、安全性を向上させたブレーキ駆動制御回路に関するものである。

従来より、垂直軸を含むロボットにおいて、その垂直軸を駆動するサーボモータの動力が遮断された場合には、メカニカルブレーキを動作させることによって、その垂直軸を構成するアームが落下しないような制御が行われている。特に、近年のアーム型ロボットの大型化に伴い、オペレータの安全を守るために、かかる制御の重要性は益々高まってきている。

図４は、従来のブレーキ駆動制御回路の回路図である。図４（ａ）は、電源＋側にスイッチング素子１１ａを設けたブレーキ駆動制御回路（ハイサイドスイッチ）であって、図４（ｂ）は、ＧＮＤ側にスイッチング素子１１ｂを設けたブレーキ駆動制御回路（ローサイドスイッチ）である。図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すブレーキ駆動制御回路は、ロボットの駆動制御を行うロボットコントローラからブレーキ信号を受信する。これにより、ブレーキ駆動制御回路に駆動電流が流れ、ブレーキ１２ａ及びブレーキ１２ｂの復帰（リリース又は解放）動作を実現させるようになっている。なお、図４（ａ）及び図４（ｂ）において、開閉サージやノイズ等の瞬間的高電圧を吸収・除去すべく、ブレーキ１２ａ及びブレーキ１２ｂと並列に、それぞれサージアブソーバ１３ａ及びサージアブソーバ１３ｂが接続されている。

しかしながら、図４（ａ）又は図４（ｂ）において、スイッチング素子１１ａ又はスイッチング素子１１ｂが故障してショートした場合には、メカニカルブレーキを正常にオフ（ロック）することができなくなる。

すなわち、図４（ａ）に示すブレーキ駆動制御回路（ハイサイドスイッチ）において、ブレーキ信号に基づき動作するスイッチング素子１１ａが故障（ショート）すると、回路中の通電を遮断することができなくなり、その結果、ブレーキ１２ａをオフすることができなくなる。また、図４（ｂ）に示すブレーキ駆動制御回路（ローサイドスイッチ）においても、ブレーキ信号に基づき動作するスイッチング素子１１ｂが故障（ショート）したり、スイッチング素子１１ｂとブレーキ１２ｂをつなぐ配線が断線してフレーム等に地絡したりすると、回路中の通電を遮断することができなくなり、その結果、ブレーキ１２ｂをオフすることができなくなる。

このように、回路中の通電を遮断することができず、メカニカルブレーキを正常にオフすることができなくなると、仮にサーボロックが停止した場合、垂直軸を構成するアームが落下することとなり、非常に危険である。

本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、その目的は、スイッチング素子が単一故障した場合であっても、ブレーキ駆動制御回路中の通電を的確に遮断することで、ブレーキのロックを適切に行うことができ、結果として、ブレーキを駆動制御する際の安全性を向上させることが可能なブレーキ駆動制御回路を提供することにある。

以上のような課題を解決するために、本発明は、以下のものを提供する。

（１） ブレーキに対する駆動信号をオン・オフ制御するスイッチング制御手段を少なくとも２個有するブレーキ駆動制御回路であって、前記スイッチング制御手段は、いずれも前記ブレーキに対して直列に接続され、単一のブレーキ信号に基づき個別にスイッチング制御可能であって、前記ブレーキの解放動作を実現させるときは、前記スイッチング制御手段をいずれもオンとして前記ブレーキをオンするとともに、前記ブレーキのロック動作を実現させるときは、前記スイッチング制御手段をいずれもオフする一方、前記スイッチング制御手段をいずれもオフ制御するブレーキ信号が送信されたにもかかわらず、前記スイッチング制御手段の一がオフで、その他がオンであるときでも、前記ブレーキのロック動作を実現すると共に、前記ブレーキ駆動制御回路は、さらに、前記ブレーキと並列に接続され、前記ブレーキにかかる電圧の有無を検出する電圧検出手段を備え、前記スイッチング制御手段を個別にオンして故障検出することを特徴とするブレーキ駆動制御回路。

本発明によれば、ブレーキ駆動制御回路に、少なくとも２個以上のスイッチング制御手段を設け、それらをいずれも互いに直列に接続することとしたから、例えばそれらのうちの1個が故障してショートした場合であっても、他のスイッチング制御手段によってブレーキ駆動制御回路の通電を遮断することができる。

従って、スイッチング制御手段の単一故障で、ブレーキをオフできなくなるのを防止することができ、ひいては、ブレーキを駆動制御する際の安全性を向上させることができる。

（２） 前記スイッチング制御手段は、前記ブレーキを介在して接続されることを特徴とする（１）記載のブレーキ駆動制御回路。

本発明によれば、上述したブレーキを介在するような構成で、上述したスイッチング制御手段を接続することとしたから、例えば片方の配線が断線してフレーム地絡したような場合であっても、もう片方のスイッチング制御手段によればブレーキ駆動制御回路の通電を遮断することができ、ひいてはブレーキを駆動制御する際の安全性を向上させることができる。

前記ブレーキ駆動制御回路は、さらに、前記ブレーキと並列に接続され、前記ブレーキにかかる電圧の有無を検出する電圧検出手段を備えることを特徴とする。

本発明によれば、上述したブレーキ駆動制御回路に、ブレーキにかかる電圧の有無を検出する電圧検出手段を、ブレーキと並列に接続することとしたから、スイッチング制御手段の故障を的確に検出することができ、ひいてはブレーキを駆動制御する際の安全性を向上させることができる。

（３） 前記電圧検出手段は、フォトカップラであることを特徴とする（１）又は（２）記載のブレーキ駆動制御回路。

本発明によれば、上述した電圧検出手段は、フォトカップラであることとしたから、ブレーキ駆動制御系と故障検出系とを電気的に切り離した上で、スイッチング制御手段の故障を的確に検出することができ、ひいてはブレーキを駆動制御する際の安全性を向上させることができる。

（４） 前記ブレーキは、ロボットの垂直軸を構成するアームを制動するブレーキであることを特徴とする（１）から（３）のいずれか記載のブレーキ駆動制御回路。
（５） 前記ブレーキは、アームの落下を防止するメカニカルブレーキであることを特徴とする（４）記載のブレーキ駆動制御回路。

本発明によれば、上述したブレーキとして、ロボットの垂直軸を構成するアームを制動するブレーキを用いることとしたから、高度な安全性が要求されるロボット制御の分野において、スイッチング制御手段の単一故障でアームのブレーキをオフできなくなるのを防止することができ、ひいては、ブレーキを駆動制御する際の安全性を向上させることができる。

本発明に係るブレーキ駆動制御回路は、以上説明したように、少なくとも２個のスイッチング制御手段を互いに直列に接続するものなので、それらのうちの1個が故障してショートした場合であっても、他のスイッチング制御手段によってブレーキ駆動制御回路の通電を遮断することができ、ひいてはブレーキを駆動制御する際の安全性を向上させることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。

［回路構成］
図１は、本発明の実施の形態に係るブレーキ駆動制御回路の回路図である。

図１において、本発明の実施の形態に係るブレーキ駆動制御回路は、スイッチングトランジスタＴｒ_１，Ｔｒ_２と、ブレーキ２と、サージアブソーバ３と、抵抗（例えば１ｋΩ）４と、フォトカップラ５と、２４Ｖ電源Ｖ_ＣＣと、から構成される。なお、スイッチングトランジスタＴｒ_１を２４Ｖ電源Ｖ_ＣＣに接続するにあたって、ショートした場合を考慮してヒューズ（ＦＵＳＥ）を介するようにしている。

スイッチングトランジスタＴｒ_１は、ベース端子に入力されたブレーキ信号に基づきコレクタ電流のオン・オフを制御するものであって、エミッタ端子が電源Ｖ_ＣＣに接続され、コレクタ端子が抵抗４を介してフォトカップラ５の発光ダイオード５ａに接続されている。また、スイッチングトランジスタＴｒ_２は、スイッチングトランジスタＴｒ_１と同様、ベース端子に入力されたブレーキ信号に基づきコレクタ電流のオン・オフを制御するものであって、エミッタ端子がアースに接続され、コレクタ端子がフォトカップラ５の発光ダイオード５ａに接続されている。

ブレーキ２は、一端がスイッチングトランジスタＴｒ_１と抵抗４との節点に接続され、他端がフォトカップラ５の発光ダイオード５ａとスイッチングトランジスタＴｒ_２との節点に接続されている。また、ブレーキ２と並列に、開閉サージやノイズ等の瞬間的高電圧を吸収・除去するサージアブソーバ３が接続されている。

フォトカップラ５は、入力側に電気信号を光信号に変換する発光素子（例えば発光ダイオード５ａ）と、その光信号を受光して電気信号に変換し、検出信号として出力する受光素子（例えばフォトトランジスタ５ｂ）とが一体になった信号伝達デバイスであり、ブレーキ２と並列に接続されている。また、ブレーキ２に駆動電流が流れているとき、発光ダイオード５ａが発光駆動されて、フォトトランジスタ５ｂがオン状態となり、Ｌｏレベルの検出信号を出力する。

なお、本実施形態では、スイッチングトランジスタＴｒ_１としてＰＮＰトランジスタ、スイッチングトランジスタＴｒ_２としてＮＰＮトランジスタを採用したが、本発明はこれに限られず、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）やリレーを採用してもよい。例えば、スイッチング素子としてＦＥＴを採用した場合には、このＦＥＴのオン・オフ動作を制御するための制御端はゲートとなり、ドレイン電流の有無によってブレーキ駆動を制御することができる。

また、接地方式として、本実施形態においてはエミッタ接地方式を採用したが、本発明の効果の妨げとならない範囲で、ベース接地方式、コレクタ接地方式など、スイッチングトランジスタのどの端子を接地（共通）端子にしても構わない。

以上説明したような回路構成とすることで、本発明の実施の形態に係るブレーキ駆動制御回路は、以下のように動作する。すなわち、ブレーキ２の復帰（リリース又は解放）動作を実現させるときは、スイッチングトランジスタＴｒ_１とスイッチングトランジスタＴｒ_２を同時にオンする。そうすると、ブレーキ２に対する駆動信号が送信され、その結果、ブレーキ２をオンすることができる。一方で、ブレーキ２のロック動作を実現させるときは、スイッチングトランジスタＴｒ_１とスイッチングトランジスタＴｒ_２を同時にオフする。

このとき、スイッチングトランジスタＴｒ_１又はスイッチングトランジスタＴｒ_２のいずれか一方が故障（ショート）していた場合であっても、両方のスイッチングトランジスタは直列に接続されていることから、他方が故障していなければブレーキ駆動制御回路の通電を遮断することができ、ひいては的確にブレーキ２をオフすることができる。

［故障検出］
図２は、本発明の実施の形態に係るブレーキ駆動制御回路における故障検出を説明するためのフローチャートである。

図２において、まず、スイッチングトランジスタＴｒ_１を動作させる（ステップＳ１）。より具体的には、外部のロボットコントローラ等からスイッチングトランジスタＴｒ_１に対してブレーキ信号を送信する（スイッチングトランジスタＴｒ_１のベース端に所定電圧を印加する）。

次いで、スイッチングトランジスタＴｒ_２を動作させる（ステップＳ２）。より具体的には、外部のロボットコントローラ等からスイッチングトランジスタＴｒ_２に対してブレーキ信号を送信する（スイッチングトランジスタＴｒ_２のベース端に所定電圧を印加する）。

最後に、故障検出を行う（ステップＳ３）。より具体的には、ステップＳ１及びステップＳ２の処理を行っている最中に、フォトカップラ５から検出される検出信号を確認することによって、故障検出を行う。

図３は、本発明の実施の形態に係るブレーキ駆動制御回路における故障検出を説明するためのタイムチャートである。なお、Ｔｒ_１及びＴｒ_２の波形は、スイッチングトランジスタＴｒ_１を動作させるステップＳ１の処理と、スイッチングトランジスタＴｒ_２を動作させるステップＳ２の処理を順番に行って故障検出を行った後、故障（ショート）していないことを確認して、スイッチングトランジスタＴｒ_１及びスイッチングトランジスタＴｒ_２を動作させている様子を示している。また、スイッチングトランジスタＴｒ_１とスイッチングトランジスタＴｒ_２の両方をオンにすると、抵抗４及び発光ダイオード５ａを通じて順電流が流れ、フォトカップラ５はオン状態となる。フォトカップラ５がオン状態となったとき、フォトカップラ５から得られる検出信号は、ＨｉレベルからＬｏレベルとなる。

図３において、スイッチングトランジスタＴｒ_１及びスイッチングトランジスタＴｒ_２がいずれもショートしていなければ、フォトカップラ５から検出される検出信号は、スイッチングトランジスタＴｒ_１とスイッチングトランジスタＴｒ_２の両方をオンするまでＨｉレベルのままである（検出信号１）。これは、スイッチングトランジスタＴｒ_１とスイッチングトランジスタＴｒ_２を同時にオンしないと、上述した順電流が流れないからである。

一方で、スイッチングトランジスタＴｒ_２がショートしていた場合には、検出信号２のような波形が検出される。すなわち、スイッチングトランジスタＴｒ_１のみを動作させるステップＳ１の処理タイミングで、ブレーキ駆動制御回路が通電状態となって、フォトカップラ５から検出される検出信号はＬｏレベルとなる。そして、スイッチングトランジスタＴｒ_２のみを動作させるステップＳ２の処理タイミングで、ブレーキ駆動制御回路の通電が遮断され、フォトカップラ５から検出される検出信号はＨｉレベルとなる。なお、スイッチングトランジスタＴｒ_１とスイッチングトランジスタＴｒ_２の両方をオンにしたときは、上述のとおりＨｉレベルからＬｏレベルとなる。

また、スイッチングトランジスタＴｒ_１がショートしていた場合には、検出信号３のような波形が検出される。すなわち、スイッチングトランジスタＴｒ_１のみを動作させるステップＳ１の処理タイミングでは、ブレーキ駆動制御回路が通電状態とならず、フォトカップラ５から検出される検出信号はＨｉレベルのままである。そして、スイッチングトランジスタＴｒ_２のみを動作させるステップＳ２の処理タイミングで、ブレーキ駆動制御回路が通電状態となって、フォトカップラ５から検出される検出信号はＬｏレベルとなる。なお、スイッチングトランジスタＴｒ_１とスイッチングトランジスタＴｒ_２の両方をオンにしたときは、上述のとおりＨｉレベルからＬｏレベルとなる。

このように、フォトカップラ５から検出される検出信号が、スイッチングトランジスタＴｒ_１及びスイッチングトランジスタＴｒ_２の両方をオンしたタイミングでＬｏレベルになるか（検出信号１）、ステップＳ１の処理タイミングでＬｏレベルになるか（検出信号２）、或いはステップＳ２の処理タイミングでＬｏレベルになるか（検出信号３）、をモニタ等で確認することによって、ブレーキ駆動制御回路におけるスイッチング制御手段の故障検出が可能になる。

ここで、スイッチングトランジスタＴｒ_１又はスイッチングトランジスタＴｒ_２がオープン故障した際は、ブレーキ２をオンすることができないので、アームがブレーキ２にて保持され、落下等の危険な状態にはならない。一方で、スイッチングトランジスタＴｒ_１又はスイッチングトランジスタＴｒ_２の双方をオンした状態で、フォトカップラ５から検出される検出信号を確認することによって、このオープン故障を検出したり、ブレーキ駆動制御回路保護用に設置されたヒューズ断を検出したりすることが可能になる。

なお、本発明は、単一故障で機能損失しないことや、単一故障した場合にその故障が検出されることが要求される産業用機械の安全性（特に、ロボットの垂直軸を構成するアームの制動に関する安全性）を向上させるものとして用いることができる。

本発明に係るブレーキ駆動制御回路は、複数のスイッチング制御手段を有し、それらがいずれも互いに直列に接続されているので、それらのうちの1個が故障してショートした場合であっても、他のスイッチング制御手段によってブレーキ駆動制御回路の通電を遮断することができ、ひいてはブレーキを駆動制御する際の安全性を向上させるものとして有用である。

本発明の実施の形態に係るブレーキ駆動制御回路の回路図である。 本発明の実施の形態に係るブレーキ駆動制御回路における故障検出を説明するためのフローチャートである。 本発明の実施の形態に係るブレーキ駆動制御回路における故障検出を説明するためのタイムチャートである。 従来のブレーキ駆動制御回路の回路図である。

符号の説明

Ｔｒ_１，Ｔｒ_２ スイッチングトランジスタ
２ ブレーキ
３ サージアブソーバ
４ 抵抗
５ フォトカップラ

Claims (5)

1. ブレーキに対する駆動信号をオン・オフ制御するスイッチング制御手段を少なくとも２個有するブレーキ駆動制御回路であって、
   前記スイッチング制御手段は、いずれも前記ブレーキに対して直列に接続され、単一のブレーキ信号に基づき個別にスイッチング制御可能であって、
   前記ブレーキの解放動作を実現させるときは、前記スイッチング制御手段をいずれもオンとして前記ブレーキをオンするとともに、前記ブレーキのロック動作を実現させるときは、前記スイッチング制御手段をいずれもオフする一方、
   前記スイッチング制御手段をいずれもオフ制御するブレーキ信号が送信されたにもかかわらず、前記スイッチング制御手段の一がオフで、その他がオンであるときでも、前記ブレーキのロック動作を実現すると共に、
   前記ブレーキ駆動制御回路は、さらに、前記ブレーキと並列に接続され、前記ブレーキにかかる電圧の有無を検出する電圧検出手段を備え、
   前記スイッチング制御手段を個別にオンして故障検出することを特徴とするブレーキ駆動制御回路。
2. 前記スイッチング制御手段は、前記ブレーキを介在して接続されることを特徴とする請求項１記載のブレーキ駆動制御回路。
3. 前記電圧検出手段は、フォトカップラであることを特徴とする請求項１又は２記載のブレーキ駆動制御回路。
4. 前記ブレーキは、ロボットの垂直軸を構成するアームを制動するブレーキであることを特徴とする請求項１から３のいずれか記載のブレーキ駆動制御回路。
5. 前記ブレーキは、アームの落下を防止するメカニカルブレーキであることを特徴とする請求項４記載のブレーキ駆動制御回路。