JP7219321B2 - 圧力検知センサで技術設備をモニタリングするための安全デバイス - Google Patents

Description

本発明は、複数の第１電極と複数の第２電極とを備える圧力検知センサで技術設備をモニタリングするための安全デバイスであって、各第１電極は、関連連結部位で各第２電極に重なり、関連連結部位の各第１電極は、圧力検知材料によって関連第２電極から離間されて、連結部位に力が加わると、関連第１電極と関連第２電極との間の電気抵抗が変化するようになされた安全デバイスに関する。当該安全デバイスは、複数の第１電極と複数の第２電極とに連結されて、関連連結部位の電気抵抗を逐次判定するように構成されている測定回路を備える。評価ユニットは、測定された電気抵抗に応じて出力信号を提供する。

このような安全デバイスは、たとえば特許文献１から公知である。

信号取得と一次的な電子信号処理とにおける進歩は、長年にわたり、製造プロセスの自動化レベルを継続的に高めてきた。それにも関わらず、人による介入は製造プロセスの不可欠な部分であり、またそうであり続けているため、近年における開発では、人とマシンとの協働の最適化がますます重視されるようになってきている。特に、この協働は、人の健康を危険にさらしてはならない。そのため、マシンは、その作動範囲内のその環境を知覚し、物体または人がすぐ近くにいるかどうかを認識できるようにされなければならない。マシンがその環境を知覚する総合的なセンサ装置に加えて、これには、人とマシンとによる安全な連携作業を可能にするために記録される信号をエラーなく安全に評価する必要もある。

たとえば、マシンへのアクセスまたはマシンとの接触を検出することのできるセンサが、上記の特許文献１に開示されている。特許文献１は、機械的負荷下で明確にその電気特性を変える複数の個々のセンサセルを相互接続することによって実現される大面積触覚センサを示す。

センサセルは、行列に配置されている電極を介して個々に接触することができるので、表面全体にわたる圧力分布を個々のセルの電気特性の測定値から判定することができる。センサは、マシンへのアクセスエリアのステップマットとして使用することができ、または、人とマシンもしくは物体との衝突を検出するためにマシンの表面に人工皮膚として配置することができる。

こうした圧力検知安全デバイスに関し、安全設計および試験についての一般的な原理および要求事項がＥＮ ＩＳＯ １３８５６－１に規定されている。特に、この規格は、性能、マーキングおよびドキュメンテーションに関する最低限の安全要求事項を規定している。

欧州特許第２５２８２３４号明細書

センサを形成するために互いに接続するセンサセルを多くすればするほど、センサの局所的な分解能が高くなるが、信号の評価に必要となる労力もそれに応じて多くなる。そのため、通常、より多くのセンサセルの評価を同時に並行して行うのではなく、順次行う。
すなわち、個々のセンサセルは、それぞれのステータスを判定するために、評価ユニットにより次から次に連続的にスキャンされる。調べなければならないセンサセルの数が多くなればなるほど、センサ全体を調べるのにかかる時間が長くなる。そのため、単一のセンサセルの測定の継続時間をできるだけ最小限にするのが望ましい。

各電極がいくつかのセンサセルに連結されているマトリックス型のセンサの場合、いくつかのセルが同時に起動される場合にも、故障電流路が発生する可能性がある。これにより、負荷のかかっていないセルが起動されたと認識されることになりかねない。言い換えると、いくつかのセルが同時に起動される場合、対応するセンサセルがこの部位で起動されていなかったとしても、ある部位で接触が記録されかねない。「ゴースト（ghosting）」とも呼ばれるこの現象は、ある部位での負荷が実際の負荷によるものかまたは「ゴースト」により生じたものなのかをエラーなく判定することができないため、安全重視の用途には前述のタイプのセンサを限定された範囲でしか使用できないことを意味する。ゴーストは、影響を受ける場所によって異なる措置を行わなければならない場合に特に問題となる。

上記の背景に照らし、本発明の目的は、迅速な評価を可能にし、かつ「ゴースト」により生じるエラーを防ぐ、前述のタイプの安全デバイスを実現することである。特に、フェイルセーフな空間分解能を可能にするために、各セルをフェイルセーフに評価することのできる安全デバイスを実現する。

この目的は、測定回路が、関連第１電極と関連第２電極とを介して連結部位の電気抵抗を判定するために、第１電極と第２電極とを所定の電位を受ける端子にさらに接続し、連結部位の電気抵抗の単独測定を可能にするように構成されている、前述したタイプの安全デバイスの改良によって解決される。

さらに、この目的は、複数の第１電極と複数の第２電極とを備える圧力検知センサの出力信号を判定するための方法によって解決される。各第１電極は、関連連結部位で各第２電極に重なり、関連連結部位の各第１電極は、圧力検知材料を介して関連第２電極から離間されて、連結部位に力が加わると、関連第１電極と関連第２電極との間の電気抵抗が変化するようになされている。該方法は、複数の第１電極と複数の第２電極とに連結されて、関連連結部位の電気抵抗を逐次判定する測定回路を提供するステップと、評価ユニットにより測定された電気抵抗の関数としての出力信号を提供するステップと、を含む。該測定回路は、関連第１電極と関連第２電極とを介して連結部位の電気抵抗を判定するために、第１電極と第２電極とを所定の電位を受ける端子にさらに接続して、連結部位の電気抵抗の単独測定を可能にするように構成されている。

本発明のアイデアは、１つのセルの測定中に、個々のセルの測定に影響を与えることのないように残りのセルを接続する、改良された測定回路を提供するというものである。これは、第１関連電極と第２関連電極とを介してセルが測定されるときに、残りの電極が所定の電位に接続されていることによって達成される。

所定の電位とは、ここでは、一般的な接地端子とは異なる電位として定義され、たとえば、センサの供給電圧のプラス電位に対応する。

前記所定の電位は、残留電流が、測定されるセルから所定の電位に占有されているセルに流れることができないように選択される。マトリックス状のセンサの場合、このことは、セルの測定に関与しない電極と列との両方が、測定中にこれらを適切な端子に接続することによって、所定の電位に接続されることを意味する。測定回路による測定に関与しな
いセルを通る故障電流路を排除することによって、「ゴースト」を確実かつ容易に回避することができる。

同時に、残りのセルを抑制することは、好ましくは、センサセルの１回の測定の継続時間を短縮する。たとえば、セルは、容量に並列な抵抗器として等価回路図に図示することができ、それによって、顕著に、容量の充電にかかる時間で充電時間が判定される。隣接するセルの容量がそれ以上測定に影響しない場合、さらに迅速にセルを充電して読み取ることができる。したがって、センサ全体の読み取りを加速することができる。有利なことに、センサは、全体的な容積が小さくなるため、より低い供給電圧で動作することができ、全体的な電力消費量も削減される。

したがって、上述した目的は完全に達成される。

有利な改良形態において、測定回路は、電気抵抗を判定するために測定電位を受ける端子に関連第１電極を接続するとともに、関連第２電極を接地端子に接続するように構成されている第１選択素子を備える。第１選択素子は、１つのセルの測定に必要な電極を測定電位と接地端子とに接続することを可能にする。同時に、第１選択素子は、残りの電極を、接地端子に対応しない所定の電位に接続する。

第１選択素子は、好ましくは、好適な構成を実施することのできる制御可能なスイッチング素子である。選択素子は、制御ユニットによって作動される複数の個別スイッチング素子から形成することができる。選択素子の使用により、本発明による回路を実施し、自動化するのが特に容易になる。

さらに有利な改良形態において、所定の電位を受ける端子は、所定の電位が測定電位と量が一致するように、測定電位を受ける端子に連結されている。所定の電位と測定電位とが同じ大きさであるため、測定電位と接地とで切り換えられる１つのセルは、他のセルから特によく隔離することができる。他の電極の電位が同じであるため、測定中に、１つのセルの測定を誤らせかねない残留電流が流れ出ることはない。このコンテキストにおいて「量が一致する」とは、電位の高さが等しいことを意味するが、必ずしも測定電位が所定の電位に直接接続されていることを意味するわけではない。

さらに有利な改良形態において、測定回路は、入力側が測定電位を受ける端子に接続されて、出力側が所定の電位を受ける端子に接続されているインピーダンスコンバータを備える。所定の電位および測定電位は、電位が互いに干渉しないように、インピーダンスコンバータによって互いに分離されている。好ましくは、インピーダンスコンバータは、入力側に高い入力抵抗を有し、出力側に、無視できるほど小さい出力抵抗を有する。

さらに有利な改良形態において、インピーダンスコンバータは、反転入力と、非反転入力と、反転入力に対するフィードバックである出力とを有する演算増幅器である。演算増幅器は、目下のアプリケーションにほぼ理想的な状態を作り出すので、インピーダンスコンバータとして特によく適する。特に、入力抵抗はほぼ無限であり、出力抵抗はほぼゼロである。したがって、所定の電位は、それ自体に影響することなく量に関して測定電位に従う。

すべてのセルの測定について所定の電位と測定電位とを分離するのに測定回路に演算増幅器が１つだけ必要であることが好ましい。このように、測定回路を特に経済的に実現してもよい。

さらに有利な改良形態において、測定回路は第１アナログ／デジタルコンバータを備え
、第１選択素子は、関連第１電極を第１アナログ／デジタルコンバータに接続するように構成されている。関連第２電極を接地端子に接続しながら、関連第１電極を測定電位と第１アナログ／デジタルコンバータとに接続することにより、１つのセルの抵抗を電圧測定により容易に判定することができる。

好ましくは、測定電位とアナログ／デジタルコンバータとの間に直列抵抗器が配置されて、直列抵抗器と、判定するべきセルの抵抗との間に分圧器が形成されるようにする。分圧器は、電圧を測定することによりセルの抵抗を正確に判定するのを容易にする。

さらに有利な改良形態において、測定回路は、自己診断を行うために、第２選択素子と、抵抗器と、第２アナログ／デジタルコンバータとを含む試験手段を備える。自己診断は、センサの通常の動作中にエラーを検出することができる。第２選択素子は、第１選択素子とは独立して、第１および第２の電極を個々に扱うことができるので、第２アナログ／デジタルコンバータと、センサの抵抗が隠されている最小抵抗とを介して試験測定を行うことができる。そして、試験回路は、測定に必要な測定コンポーネントのみを含む。これにより、個々の測定コンポーネントの機能的能力を点検することが可能になり、エラー安全性を一層高める。

さらに有利な改良形態において、第２選択素子は、複数の第１電極と複数の第２電極とに連結されて、複数の第１電極と複数の第２電極とのそれぞれのうちの１つの電極を抵抗器と並列に第２アナログ／デジタルコンバータに逐次接続するように構成されている。試験手段により、複数の第１電極と複数の第２電極との交差接続を検出することのできるマトリックス状のセンサで行列試験を行うことができる。

特に好適な改良形態において、試験手段は、第１スイッチング試験を行うために、第１選択素子と第２選択素子とを、複数の第１電極と複数の第２電極とのそれぞれのうちの同じ電極に周期的に切り換えるように構成されている。第１スイッチング試験で、第１選択素子を、正確なスイッチングについて点検することができる。

さらに有利な改良形態において、試験手段は、第２スイッチング試験を行うために、第１選択素子と第２選択素子との間に連結部位の各比抵抗が存在するように、第１選択素子と第２選択素子とを複数の第１電極と複数の第２電極とに周期的に切り換えるように構成されている。第２スイッチング試験で、有利なことに、電極間の交差接続を検出することができる。

さらに有利な改良形態において、評価ユニットは、測定電圧から測定抵抗を判定し、各連結部位について、測定電圧に応じて第１、第２または第３の出力信号を提供するように構成されている。評価ユニットは、有利なことに、測定抵抗の関数として提供される３つの出力信号を区別することができる。各セルについて、３つの出力信号のうちの１つを生成することが有利である。同様に、個々のセルの測定値を合計して、出力信号がセンサ全体を表す出力になるようにすることができる。

さらに有利な改良形態において、第１出力信号は、エラー信号に対応し、第２出力信号は、連結部位の起動状態を示す信号に対応し、第３出力信号は、連結部位の非起動状態を示す信号に対応する。一般的なエラー状態を示すエラー信号と、起動セルを表す信号と、非起動セルを示す信号と、の区別は、個々のセルの評価の区別およびフェイルセーフな空間分解能を可能にする。

さらに有利な改良形態において、評価ユニットは、測定電圧が第１閾値未満になるか、または第２閾値を超えると第１出力信号を出力し、測定電圧が第１閾値を超え、かつ第１
閾値と第２閾値との間にある第３閾値未満になると第２信号を出力し、測定電圧が第３閾値を超え、かつ第２閾値未満になると第３出力を出力する。出力信号のタイプは、個々のセルの抵抗で下がる測定電圧に起因する。第１閾値は、適切な測定のために測定電圧レベルがその範囲になければならない下限に対応し、第２閾値は上限に対応する。測定電圧レベルが下限を下回ると、たとえばセンサに入り込んだ液体に起因する、電極と接地との交差接続が想定されるため、エラー反応がトリガされる。測定電圧レベルが上限を上回ると、システムは、やはりエラー状態に入る。この理由には、個々のセンサセルの老化、腐食または機械的な摩耗、およびドリフトが含まれる可能性がある。また、電極の接続不良または分離、および電極のスタックアットハイエラーも存在する可能性がある。

さらに有利な改良形態において、評価ユニットはマルチチャネル冗長性である。冗長設計は、安全デバイスの故障安全性を高める。好ましくは、評価ユニットは、互いに通信するとともに互いをモニタリングすることのできる、機能的に同一の２つのコントローラから構成される。多様性も高めるために、異なる製造者製の機能的に同一のコントローラが特に有利である。

上述した本発明の特徴およびこれから以下で説明する特徴は、示したそれぞれの組み合わせだけでなく、本発明の範囲を逸脱することなく、他の組み合わせまたは単独でも使用できることは理解されるであろう。

新規な安全デバイスの実施例の可能な応用分野の模式図を示す。 新規な安全デバイスの例示的な実施形態を平面図で示す。 新規なセンサの例示的な実施形態の構造の簡略化した模式図を示す。 新規なセンサの例示的な実施形態の等価回路図を示す。 新規なセンサの例示的な実施形態の測定回路の簡略化した模式図を示す。 新規な安全デバイスの第１の例示的な実施形態を示す。 新規な安全デバイスの第２の例示的な実施形態を示す。 図６および図７に従う例示的な実施形態による測定回路の簡略化した等価回路図を示す。 測定電圧と出力信号との関係の模式図を示す。 図６および図７の例示的な実施形態による新規な試験手段の等価回路図を示す。

本発明の実施形態を以下の説明でより詳細に説明し、図面に示す。

図１は、新規な安全デバイスが実施可能な応用分野における模式図を示す。

図１は、符号１０および１２を付した安全デバイスの２つの実施形態を示す。どちらの安全デバイスも、ここでは自動ロボット１６として示されている技術システム１４をモニタリングする。ロボット１６は、たとえば、生産ラインまたは組立ラインの切断ロボットまたは溶接ロボットとすることができる。

図１に図示する実施形態において、モニタリング対象のロボット１６は、末端に工具２０を備え自由に動くことのできるロボットアーム１８を有する。ロボットアーム１８の回転・旋回範囲は、ロボット１６の有効範囲を画定すると同時に、ロボット１６の危険な範囲を表す。危険エリアへの進入は、無許可であっても許可があっても、ロボットを人または物体にとって安全な状態に移行することができるように検出されなければならない。ここでは、検出は、安全デバイス１０および１２によって行われ、これらは安全システム３
０に連結されている。

安全システム３０は、ＥＮ ＩＳＯ １３８５６－１に定義される出力開閉装置、たとえば、単純な安全継電器、構成可能な安全コントローラまたはプログラマブルロジックコントローラとすることができる。安全システム３０は、たとえば、技術システム１４への電力をオフにすることによって、技術システム１４を人にとって安全な状態にするように構成されている。

新規な安全デバイス１０の第１の実施形態は、技術システム１４の周りのエリアの床に配置されているステップマットである。新規な安全デバイス１２の第２の実施形態は、ロボットアーム１８の塗装であり、ここではロボット１６のタッチセンサ型「皮膚」として作用する。安全デバイス１０，１２はともに、複数の個々のセンサセル２４から作られる圧力検知センサ２２を備える。特に第２のアプリケーションの事例で示されるように、センサ２２は、ここではロボットアームの形状など、さまざまな形状に適応できるように柔軟な材料から作られる。

より詳細に以下で説明するように、センサ２２は、センサセル２４のうちの１つにおける圧力変化を検出し、対応する出力信号を生成するように設計されている。出力信号は、ライン２６を経由して安全システム３０の入力モジュール２８に伝送され、そこで信号を評価し、それに応じて反応をトリガする。この実施形態では、安全システム３０は、この目的のために、出力３２経由で、ロボット１６の電源３８に配置されている作動接点３６を有する接触器３４と接続されている。

技術システム１４の危険エリア内でステップマット１０のセンサセル２４に負荷がかかる場合、またはロボットの皮膚１２が物体もしくは人とのセンサ２２の接触を検出する場合、安全システム３０は、出力３２をオフにして、作動接点３６を開くことにより、接触器３４が離れ、技術システム１４がオフになるようにする。電源を切断することにより、技術システム１４は、人または物体にとって安全な状態に移行する。

言うまでもなく、技術システム１４を電源から切断することは、技術システム１４を安全な状態に移行する１つの方法にすぎない。あるいは、または追加で、別の実施形態において、安全システム３０は、たとえばロボット１６がロボットアーム１８を後退させることによって、安全な状態をもたらすために、ロボット１６の動きのシーケンスに制御的に介入することもできる。第１安全デバイス１０および第２安全デバイス１２のセンサ２２の出力信号、または別の安全デバイスの出力信号を組み合わせて検討することも考えられ、また、安全システム３０が概要からロボット１６の制御に関する決定を行うことも考えられる。他の安全デバイスは、たとえば、光バリアもしくはライトグリッドなどの電気的検知保護設備（ＥＳＰＥ）、または安全カメラシステムとすることができる。

図２は、新規な安全デバイス１０の実施形態を平面図で示す。

センサ２２は、ここでは、マトリックス状に複数のセンサセル２４に分割されている。さらに、センサ２２は、異なるセンサセル２４が割り当てられる異なるエリアに分割されている。第１エリア４０（ここでは、中塗りなく示されている）は、センサ２２の縁エリアを形成する。この第１エリアのセンサセル２４に負荷をかけても、安全デバイス１０は反応しない。第２エリア４２（薄い灰色で示される）は警告エリアを形成する。警告範囲に割り当てられているセンサセル２４に負荷がかけられると、安全デバイス１０は、警告信号をトリガし、たとえば、警告表示を点灯させることができる。第３エリア４４（濃い灰色で示される）は、保護フィールドを記す。保護フィールドに割り当てられているセンサセル２４に負荷がかけられるとすぐに、安全機能がトリガされて、モニタリング対象の
技術システム１４を安全な状態に切り換える。

言うまでもなく、センサ２２のこのような機能的な細分のために、各センサセル２４にかかる負荷は、確実かつフェイルセーフに検出されなければならない。すなわち、センサ２２は、フェイルセーフな空間分解能を保証しなければならない。ある範囲へのセルの割り当ては、対応する出力信号の優先度に応じて行う。セルが２つのエリアを含む場合、より高いレベルが各セルに割り当てられる。

図３は、センサの構造の簡略化した模式図を示す。

センサ２２は、互いに重なっている複数の第１電極４６と複数の第２電極４８とを有する。すべての第１電極が、関連連結部位５０ですべての第２電極に重なっている。ここでは拡大図で模式的に示されるように、各連結部位５０に、センサセル２４が形成されている。このように、センサセル２４は、関連第１電極５２および関連第２電極５４、ならびに２つの電極５２，５４を互いから分離する圧力検知材料５６を備える。

例えば、圧力検知材料５６は、セルに機械的負荷がかけられる場合に関連第１電極５２と関連第２電極５４との間の電気抵抗５８が変化するように、力が加わるとその抵抗率が変化するように構成されている。あるいは、第１および第２の電極４６，４８ならびに圧力検知材料５６は、関連第１電極５２と関連第２電極５４との間の電気抵抗５８が変化するように、力が加わると相互作用するように構成されていてもよい。

センサの圧力検知材料は、好ましくは導電性添加剤が交ぜられたポリマーから作られる。導電率に関して測定されたときに、この材料は、絶縁体と導体との中間に分類されるようにするべきであり、分類は、導電性添加剤のそれぞれの濃度に依存する。導電性粒子は、ほとんどが、すす、金属粒子、金属被覆粒子、または炭素繊維である。材料の導電率は浸透の原理に基づく。この結果、導電性ブリッジが材料全体に広がっている。ここで材料に圧力がかけられると、材料が圧縮し、導電性粒子の新たなブリッジが形成される。材料を触覚センサとして使用するために、個々のセルがポリマー材料から作られているマトリックス形のマットが設計される。抵抗評価のために、導電性糸の形態の電極が圧力検知材料の上側と下側とに装着されて、それらが重なっているエリアにセンサセルを形成する。

図４は、新規なセンサ２２の実施形態の等価回路図を示す。

複数の第１電極４６は、垂直方向に布線された導体路４６ａ～４６ｈによって示されている。複数の第２電極４８は、水平方向の導体路４８ａ～４８ｅによって示されている。このように、第１電極はマトリックス状センサ２２の列（columns）を形成し、第２電極
は行（rows）を形成する。導体路（４６ａ～４６ｈ，４８ａ～４８ｅ）の交点にはセンサセル２４があり、等価回路図において、それらに対応する電気抵抗５８によって示されている。

センサセル２４の電気抵抗５８の測定のために、第１電極４６ａ～４６ｈおよび第２電極４８ａ～４８ｅは、異なる電位に交互に接続することができる。これは、図６および図７を参照して詳細に説明されるスイッチング素子（ここでは図示せず）を介して行われる。

一実施例として、図４は、センサセル６０の測定を示し、該センサセル６０は、関連第１電極４６ｇ，５２と関連第２電極４８ｄ，５４との連結部位５０に配置されている。測定のために、関連第１電極４６ｇ，５２は、直列抵抗器６２を介して、測定電位６４を受ける端子に接続されている。同時に、関連第２電極４８ｄ，５４は、接地端子６６に接続
されている。センサセル６０の直列抵抗器６２および電気抵抗器５８は、第１アナログ／デジタルコンバータ６８を使用して電圧値を判定することのできる分圧器を形成する。測定された電圧値から、センサセル６０の電気抵抗５８を直接判定することができ、センサセル６０の機械的負荷をこれから判定することができる。

本発明によると、現在のセンサセル６０の測定に関与していない残りの第１電極４６ａ～４６ｆ，４６ｈおよび残りの第２電極４８ａ～４８ｃ，４８ｅは、ここでは所定の電位７０を受けるための共通端子を介して示されるように、測定中、所定の電位７０に接続されている。所定の電位７０は、好ましくは測定電位７４に直接接続されていないが、所定の電位７０は、測定電位７４と量（amount）が一致する。所定の電位７０と測定電位７４との関係を、図５を参照してより詳細に説明する。

図５は、新規なセンサの測定回路を簡略化した模式図を示す。同じ符号は、図４と同じ部品を示す。

測定されるセンサセル６０の電気抵抗５８は、第１アナログ／デジタルコンバータ６８で電圧を測定することにより判定される。好ましくは、抵抗５８が大きく変化しても正確な測定ができるように、電気抵抗５８で低下する電圧を、分圧器を介して測定する。したがって、測定電位６４を受ける端子とセンサセル６０の電気抵抗器５８との間に直列抵抗器６２を配置して、センサセル６０の電気抵抗器５８と直列抵抗器６２との間で測定電位７４を調整し、これを、第１アナログ／デジタルコンバータ６８で受けて測定する。

測定電位７４は、演算増幅器７８の非反転入力７６にも存在する。演算増幅器７８の出力８０は、演算増幅器７８の反転入力８２に直接フィードバックされて、演算増幅器７８がインピーダンスコンバータとして機能するようにする。

出力８０は所定の電位７０に設定され、これは、測定電位７４と大きさが一致するが、インピーダンスコンバータによって測定電位７４とは分離されている。言い換えると、所定の電位７０は測定電位７４に従うが、測定電位７４に影響は与えない。言うまでもなく、演算増幅器７８の代わりに別のインピーダンスコンバータも使用することができる。しかし、演算増幅器は、入力の入力抵抗がほぼ無限で、出力の出力抵抗がほぼゼロであるため、ほぼ理想的な分離を可能にするという利点を有する。

要するに測定電位７４に連結されている所定の電位７０は、他の電極に接続されている。したがって、測定対象のセンサセル６０の電気抵抗５８のみが、測定電位７４と接地端子６６とに接続されている。符号８４で示される同じ直列の他の電気抵抗器５８は、一方が接地端子６６に、他方が所定の電位７０に接続されている。同じ列の他の抵抗器（ここでは図示せず）は、一方が測定電位７４に、他方が所定の電位８０に接続されている。測定電位７４および所定の電位７０は量が等しく、同じ行および列のセンサセルに残留電流が流れることはないので、センサセル６０の単独測定が可能になる。

図６および図７は、新規な安全デバイスの２つの好適な例示的実施形態を示す。両図面において、同じ符号は同じ部品を表すので、以下、これらは１つの図面に関してのみ説明する。

図６は、新規な安全デバイスの第１の実施形態を示す。圧力検知センサ２２は、ここでは９つのセンサセル２４で図示されており、３列および３行のマトリックス状に配置されている。行および列の異なる間隔は、センサ２２がより多くの数の行および列も有することができることを示している。同様に、行および列の数は、必ずしも同じである必要はない。

列のセンサセル２４は、それぞれ第１電極を介して互いに接続されており、行のセンサセル２４は、それぞれ第２電極を介して互いに接続されている。したがって、列の第１電極は複数の第１電極４６を形成し、行の第２電極は複数の第２電極４８を形成している。

複数の第１電極４６および複数の第２電極４８は、第１選択素子８６に接続されている。選択素子８６は、ここでは、２つの論理ユニット８６ａ，８６ｂによって示される。第１論理ユニット８６ａは、入力側が複数の第１電極４６に接続されており、出力側が、一方で測定電位７４に、他方で所定の電位７０に接続されており、該所定の電位７０は、フィードバック演算増幅器７８を介して測定電位７４に連結されている。第２論理ユニット８６ｂは、入力側が複数の第２電極４８に、出力側が、一方で接地端子６６に、他方で所定の電位７０に接続されている。

選択素子８６は、入力側の電極４６，４８を任意選択的に出力側の接続部に接続するように構成されている。したがって、複数の第１電極４６は、第１論理ユニット８６ａを介して所定の電位７０または測定電位７４に選択的に接続することができる。複数の第２電極４８は、第２論理ユニット８６ｂを介して所定の電位７０または接地端子６６に選択的に接続することができる。

選択素子８６の第１および第２のユニット８６ａ，８６ｂは、ハードウェア構成が合わせて論理的な第１および第２のユニット８６ａ，８６ｂを形成するいくつかのコンポーネントも備えることができるため、「論理」（logical）と呼ばれる。たとえば、第１選択
素子８６は、いくつかの独立スイッチを有する、ＣＭＯＳ技術で実装される複数のスイッチング素子を備えることができる。このようなスイッチング素子の例は、アナログ・デバイセズ社のＨＤＧ７８８であり、これは、４つの独立したＳＰＤＴ（単極双投）スイッチを含む。４つのこのようなスイッチング素子を用いて、８×８行列（６４セル）の選択素子８６を実現することができる。

第１選択素子８６は、データ入力８８を介して駆動され、各スイッチは、好ましくは自己の論理入力を有する。対応する制御信号が制御ユニット９０によって提供され、該制御ユニット９０は、ここでは評価ユニットでもある。制御ユニット９０は、デジタル回路もしくはアナログ回路、マイクロコントローラ、ＦＰＧＡ、ＡＳＩＣまたは任意の他の処理ユニットにすることができる。

ここに図示する好適な実施形態において、制御／評価ユニット９０は、２つの個別のマイクロコントローラ９０ａ，９０ｂを備え、これらは、通信インタフェース９２、たとえば、直列ＵＡＲＴインタフェースを介して互いに連結されている。マイクロコントローラ９０ａ，９０ｂは、機能的に同一であるが、多様性を高めるために、同じタイプではないか、または同じ製造者製のものではないことが好ましい。通信インタフェース９２を介して、マイクロコントローラ９０ａ，９０ｂは、互いに通信し、互いにモニタリングして制御することができる。このような構成を、冗長、マルチチャンネルともいう。

制御／評価ユニット９０は、センサ２２のセンサセル２４の各電気抵抗５８を１サイクルで読み取ることができるように第１選択素子８６を制御する。さらに、制御／評価ユニット９０は、ここでは第１マイクロコントローラから出る点線矢印によって示されるように、より詳細に以下で説明される試験手段を制御する。第２マイクロコントローラ９０ｂは、第１マイクロコントローラ９０ａの制御信号を第２マイクロコントローラ９０ｂの入力に追加で送ることによって、制御をモニタリングする。これは、ここでは、第２マイクロコントローラ９０ｂに達する点線矢印によって示される。

この実施形態において、制御ユニット９０は評価ユニットとしても機能し、第１アナログ／デジタルコンバータ６８をこのために有する。制御ユニット９０の冗長設計により、第１マイクロコントローラ９０ａおよび第２マイクロコントローラ９０ｂは、ともに、対応する第１アナログ／デジタルコンバータ６８を有する。第１アナログ／デジタルコンバータ６８は、測定電位７４に接続されており、該測定電位７４は、ここでは直列抵抗器６２を介して測定電位６４を受けるための接続部に接続されている。端子６４は、特に供給電圧端子とすることができる。

図５で詳細に説明したように、制御ユニット９０は、１サイクルですべてのセンサセル２４を接続するので、各センサセル２４の電気抵抗５８は、第１アナログ／デジタルコンバータ６８の測定電位７４を測定することにより、直列抵抗器６２と電気抵抗５８との分圧器を介して判定することができる。同時に、制御ユニット９０は、測定に関与していない電極が、測定に影響を与えないように所定の電位７０に接続されるように、第１選択素子８６を制御する。図６に図示するように、すべての電極に所定の電位７０を提供するのに必要なのは、１つのインピーダンスコンバータ７８だけである。

図６に図示する測定回路は、測定回路の個々のコンポーネントの機能性を点検することのできる試験手段も有する。試験手段は、第２選択素子９４と、抵抗器９６と、第２アナログ／デジタルコンバータ９８とを含む。第１アナログ／デジタルコンバータ６８と同様に、第２アナログ／デジタルコンバータ９８は、９０ａおよび９０ｂの両マイクロコントローラにおいて冗長である。さらに、図６に図示するように、試験手段は、第１および第２のスイッチング素子１００，１０２を有する。

第２選択素子９４は、入力側で、複数の第１電極４６と複数の第２電極４８とに接続されている。出力側では、第２選択素子９４は、一方で第２アナログ／デジタルコンバータ９８に、他方で、抵抗器９６を介して接地端子６６に接続されている。第１スイッチング素子１００を介して、第１論理ユニット８６ａを測定電位７４から分離させることができ、第２スイッチング素子１０２を介して、第２論理ユニット８６ｂを接地端子６６から分離させることができる。第２選択素子９４は、複数の第１および第２の電極４６，４８を第２アナログ／デジタルコンバータ９８に逐次接続し、第１選択素子８６の適切な機能性を点検するように構成されている。このような試験のために、第１選択素子８６および第２選択素子９４は、センサセル２４の電気抵抗５８がブリッジされて、第１および第２の選択素子８６，９４が互いに直接接続されるように、同じ電極に同期接続されている。さらに、第１および第２の論理ユニット８６ａ，８６ｂは、入力側の第１電極４６を測定電位７４に、入力側の第２電極４８を接地端子６６に接続するように構成されている。

試験の制御および評価も制御／評価ユニット９０で行われ、該制御／評価ユニット９０は、それに応じて第１および第２の選択素子８６，９４を制御し、第２アナログ／デジタルコンバータ９８で電圧設定値を測定し、それを期待値と比較する。

ここに示す試験に加えて、試験手段によって、または試験手段の個別のコンポーネントによって、別の試験を行うことができる。これらの試験のサンプルを、図１０に関連して詳細に説明する。

図７は、新規な安全ガードに係る第２の実施形態を示す。第２の実施形態は、第１選択素子のタイプおよび配置が異なり、ここでは符号１０４で示している。他の態様において、安全デバイスは、第１の実施形態による安全デバイスと同一であるため、図６に関連して同じ符号で説明したコンポーネントは、以下繰返し述べない。

この実施例における第１選択素子１０４は、３つの論理ユニット１０４ａ，１０４ｂ，
１０４ｃを有する。第１論理ユニット１０４ａは、第１電極４６を任意選択的に測定電位７４に接続するように構成されている。第２論理ユニット１０４ｂは、第２電極４８を任意選択的に接地端子６６に接続するように構成されている。第３論理ユニット１０４ｃは、第１および第２の電極４６，４８を所定の電位７０に接続するように構成されている。

第１、第２および第３の論理ユニット１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃは、第１電極が測定電位７４に周期的に接続され、第２電極が接地端子６６に周期的に接続されるのに対し、残りの第１および第２の電極が所定の電位７０に接続されるように相互作用する。第１、第２および第３の論理ユニット１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃは、第１の実施形態で示したように、複数の個別のスイッチング素子から構成することもできる。たとえば、選択素子は、アナログ・デバイセズ社のタイプＡＤＧ７１１のスイッチング素子から構成することができ、そのそれぞれが４つの独立ＳＰＳＴ（単極単投）スイッチを有する。４つのこのようなスイッチング素子を用いて、８×８センサセル（８個の第１電極、８個の第２電極、６４セル）のセンサ２２を制御することのできる選択素子１０４を実現することができるであろう。

図６の実施形態による２つの論理ユニット８６ａ，８６ｂと比較した３つの論理ユニット１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃの特徴は、論理ユニット１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃを互いに独立して配置できるということである。特に、第１および第２の論理ユニット１０４ａ，１０４ｂは、ここでは接続部１０６ａ～１０６ｃで示される測定電子機器から切り離すことができる。特に、第１および第２の論理ユニット１０４ａおよび１０４ｂは、センサ２２内に統合されて、測定回路から分離されている。そのため、第１および第２の論理ユニット１０４ａ，１０４ｂは、既存のセンサ２２の既存の選択素子とすることができるであろうが、これは、有利なことに、再利用でき、新規な測定回路によってのみ補うことができる。すると、すでに存在する論理素子１０４ａ，１０４ｂの制御は、接続部１０６ａ～１０６ｃで示される新規な測定回路によって行われることになろう。このことの利点は、新規な試験手段を含む新規な測定回路を、たとえば、センサの既存の電子機器を補うためのプラグインボードとして、分離ユニットの形態にすることができることである。このように、既存のセンサは、新規な機能、特に個々のセルの改良された測定を、容易に、かつ高い費用対効果で補うことができる。

したがって、このような追加ボードは、第３論理ユニット１０４ｃ、インピーダンスコンバータ７８、および制御／評価ユニット９０、ならびに第２選択素子９４と抵抗器９６とを備える試験手段のみを備えることになろう。追加回路基板は、外部接続部を介して既存のセンサの電子機器に接続することができるであろう。

図８は、図６および図７に記載される測定回路の簡略化した等価回路図を示す。同じ符号は同じ部品を示す。

第１選択素子８６は、ここでは２つのマルチプレクサで表されている。マルチプレクサとは、複数の入力信号の中から１つを選択して、出力に接続することのできる選択回路である。

マルチプレクサは、ある入力から次の入力に周期的に切り換え、センサセルの電気抵抗器５８が直列抵抗器６２と合わせて、測定電位６４を受ける端子と接地端子６６との間の分圧器を形成するようにする。

地点７４の電圧は、アナログ／デジタルコンバータ６８によって測定され、センサセルの負荷に応じて電気抵抗５８を判定するために使用される。地点７４で測定される電圧に応じて、出力信号が判定され、これが、各センサセルの出力になる。第１アナログ／デジ
タルコンバータ６８によって測定された電圧値と出力信号との関係を、図９を参照してより詳細に以下で説明する。

図９は、測定電圧と出力信号との関係の模式図を示す。軸１０８は測定電圧を表し、隣接する面は出力信号のタイプを表す。符号１１０，１１２および１１４は、出力信号の状態が変わる第１、第２および第３の閾値を示す。測定電圧値が第１閾値１１０を下回ると、エラー反応がトリガされる。第１閾値１１０未満に下がる理由は、たとえば、電極と接地との交差接続、またはセンサへの液体の侵入である可能性がある。測定電圧値が第２閾値１１２を上回ると、やはりエラーが想定される。第２閾値１１２を超える理由には、センサセルの老化、腐食または機械的な摩耗、およびドリフトが含まれる可能性がある。さらに、電極の接続不良もしくは分離、または電極のスタックアットハイエラーの可能性がある。

測定値が第１閾値１１０と第２閾値１１２との間である場合、正確な測定が想定され、第３閾値１１４に基づいて、起動されたセンサセルと起動されていないセンサセルとの区別が行われる。測定電圧値が第３閾値１１４未満になると（低抵抗）、センサセルの起動が想定される。測定電圧値が第３閾値１１４を超えると（高抵抗）、センサセルは起動されていないと見なされる。

符号１１６は、無負荷のセンサセルを表す電圧値を示す。無負荷のセンサセルのこの値が下側に移動すると、センサセルは、感圧性がより高くなり、より少ない負荷で起動が早くも検出される。このことが安全性を損なうことは一切ない。電圧値が上側に移動すると、エラーが生じる前に第２閾値１１２が有効になる。

図１０は、図６および図７の実施形態による新規な試験手段の等価回路図を示す。

ここで示す回路は、測定回路のさまざまなコンポーネントの機能性を点検するために、いくつかのスイッチング試験を行うために使用することができる。図１０による回路の上半分に、第１論理ユニット８６ａと第２論理ユニット８６ｂとに細分割されている第１選択素子８６が示されている。第２の例示的実施形態による３つの論理ユニット１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃへの同様な再分割も可能であることは理解される。図１０に示す回路の下半分は、第２選択素子９４と、第２アナログ／デジタルコンバータ９８と、抵抗器９６とを備える試験手段を示す。第１論理ユニット８６ａは第１電極４６に接続され、第２論理ユニット８６ｂは第２電極４８に接続されている。第２選択素子９４は、第１電極４６と第２電極４８との両方に接続されている。

第１スイッチング試験において、このような配置により、第１選択素子８６および第２選択素子９４を、複数の第１電極４６と複数の第２電極４８とのうちの同じ電極に同時に接続されるように切り換えることができる。したがって、電気抵抗５８は「除外」され、第１選択素子８６および第２選択素子９４は互いに直接接続される。すると、測定地点１１８では、端子１２０に存在する電圧と抵抗９６とから生じる所定の電圧値が得られるはずであろう。第２アナログ／デジタルコンバータ９８で判定される値がこの期待値から逸脱する場合、第１選択素子８６のエラーまたは第１選択素子８６の不正確なスイッチングが結論付けられることになる。

第２スイッチング試験において、試験手段は、行または列間の交差接続があるかどうかを点検するために使用される。第１および第２の選択素子８６，９４は、電気抵抗器５８と抵抗器９６とを介して分圧器が設定されるように周期的に切り換えられる。第２アナログ／デジタルコンバータ９８で測定される電圧値が低すぎる場合、これは電極の接続の欠落を示すため、エラーが想定される。測定地点１１８での過度に高い電圧値は、電極間の
交差接続、接地との交差接続、生産関連の電極の欠陥または液体の浸入を示すので、やはり故障状態が示される。

第１および第２のスイッチング試験に加えて、試験手段によって、または試験手段の個別のコンポーネントによってさらなる試験が可能であることは理解される。たとえば、演算増幅器の機能性を、適切な配線および期待値のディポジットによって試験することができる。

Claims (15)

1. 技術設備を監視するための安全デバイス（１０，１２）であって、
   複数の第１電極（４６）と複数の第２電極（４８）とを有する圧力検知センサ（２２）であって、各第１電極（４６ａ～４６ｈ）が各連結部位（５０）で各第２電極（４８ａ～４８ｅ）に重なり、前記各連結部位（５０）の前記各第１電極（４６ａ～４６ｈ）が圧力検知材料（５６）を介して前記各第２電極（４８ａ～４８ｅ）から離間されており、いずれかの連結部位（５０）に力が加わると、関連する第１電極（４６ｇ，５２）と関連する第２電極（４８ｄ，５４）との間の電気抵抗（５８）が変化するようになされた前記圧力検知センサ（２２）と、
   前記複数の第１電極（４６）と前記複数の第２電極（４８）とに連結されて、前記関連する連結部位（５０）で電気抵抗（５８）を逐次判定するように構成されている測定回路と、
   前記判定された電気抵抗（５８）に応答して出力信号を提供するように構成されている評価ユニット（９０）と、を備え、
   前記測定回路は、第１選択素子（８６；１０４）と第２選択素子（９４）とを有し、
   前記第１選択素子（８６；１０４）は前記関連する第１電極（４６ｇ，５２）を測定電位（６４）を受ける端子に接続し、前記関連する第２電極（４８ｄ，５４）を接地端子（６６）に接続し、他の第１電極と他の第２電極とを所定の電位（７０）を受ける端子に接続し、前記関連する第１電極（５２）および前記関連する第２電極（５４）を通して、前記連結部位（５０）の前記電気抵抗（５８）の隔離された測定を可能にするように構成され、
   前記第１選択素子（１０４）は、個別に配置することができる３つの論理ユニット（１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ）であって、前記関連する第１電極（４６ｇ、５２）を前記測定電位（６４）を受け取るための端子に接続し、前記関連する第２電極（４８ｄ、５４）を前記接地端子（６６）に接続し、前記他の第１電極および前記他の第２電極を前記所定の電位（７０）を受け取るための端子に接続するように作用する、前記３つの論理ユニット（１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ）を有し、
   前記３つの論理ユニット（１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ）のうちの第１論理ユニット（１０４ａ）および第２論理ユニット（１０４ｂ）は、圧力検知センサ（２２）に配置され、前記３つの論理ユニット（１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ）のうちの第３論理ユニット（１０４ｃ）は、追加のプラグインボードに配置されている、安全デバイス。
2. 前記所定の電位（７０）を受ける端子は、前記所定の電位（７０）が前記測定電位（７４）と一致するように、前記測定電位（６４）を受ける端子に連結されている、請求項１に記載の安全デバイス。
3. 前記測定回路は、入力側が前記測定電位（６４）を受ける端子に接続されて、出力側が前記所定の電位（７０）を受ける端子に接続されているインピーダンスコンバータ（７８）を備える、請求項１または請求項２に記載の安全デバイス。
4. 前記インピーダンスコンバータは、反転入力（８２）と、非反転入力（７６）と、前記反転入力（８２）に対するフィードバックである出力（８０）とを有する演算増幅器（７８）である、請求項３に記載の安全デバイス。
5. 前記第２選択素子（９４）は、前記複数の第１電極（４６）と前記複数の第２電極（４８）とに連結されて、前記複数の第１電極（４６）と前記複数の第２電極（４８）とのそれぞれのうちの１つの電極を抵抗器（９６）と並列に逐次接続するように構成されている、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の安全デバイス。
6. 第１スイッチング試験を行うために、前記第１選択素子（８６；１０４）と前記第２選択素子（９４）とを、前記複数の第１電極（４６）と前記複数の第２電極（４８）とのそれぞれのうちの同じ電極に周期的に切り換えるように構成されている、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の安全デバイス。
7. 第２スイッチング試験を行うために、前記第１選択素子（８６；１０４）と前記第２選択素子（９４）との間に連結部位（５０）の各電気抵抗（５８）が存在するように、前記第１選択素子（８６；１０４）と前記第２選択素子（９４）とを前記複数の第１電極（４６）と前記複数の第２電極（４８）とに周期的に切り換えるように構成されている、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の安全デバイス。
8. 前記評価ユニット（９０）は、測定電圧から前記電気抵抗（５８）を判定し、各連結部位（５０）について、前記測定電圧に応じて第１、第２または第３の出力信号を提供するように構成されている、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の安全デバイス。
9. 前記第１出力信号は、エラー信号に対応し、前記第２出力信号は、連結部位（５０）の負荷状態を示す信号に対応し、前記第３出力信号は、前記連結部位（５０）の無負荷状態を示す信号に対応する、請求項８に記載の安全デバイス。
10. 前記評価ユニット（９０）は、前記測定電圧が第１閾値（１１０）未満になるか、または第２閾値（１１２）を超えると前記第１出力信号を出力し、前記測定電圧が前記第１閾値（１１０）を超え、かつ前記第１閾値（１１０）と前記第２閾値（１１２）との間にある第３閾値（１１４）未満になると前記第２信号を出力し、前記測定電圧が前記第３閾値（１１４）を超え、かつ前記第２閾値（１１２）未満になると前記第３出力を出力するように構成されている、請求項８または請求項９に記載の安全デバイス。
11. 前記評価ユニット（９０）はマルチチャネル冗長性を有する、請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の安全デバイス。
12. 前記評価ユニット（９０）は、第１マイクロコントローラ（９０ａ）と第２マイクロコントローラ（９０ｂ）とを有し、
    前記第１マイクロコントローラ（９０ａ）は、前記第１選択素子（８６；１０４）によって前記関連する第１電極（４６ｇ，５２）に接続可能な第１アナログ／デジタルコンバータ（６８）と、自己診断をするために第２選択素子（９４）に接続可能な第２アナログ／デジタルコンバータ（９８）とを有し、
    前記第２マイクロコントローラ（９０ｂ）は、前記第１選択素子（８６；１０４）によって前記関連する第１電極（４６ｇ，５２）に接続可能な第３アナログ／デジタルコンバータ（６８）と、前記自己診断をするために第２選択素子（９４）に接続可能な第４アナログ／デジタルコンバータ（９８）とを有する、請求項１１に記載の安全デバイス。
13. 前記第２選択素子（９４）、前記抵抗器（９６）、前記評価ユニット（９０）の少なくとも一部は、前記追加のプラグインボードに配置されている、請求項５に記載の安全デバイス。
14. 前記追加のプラグインボードは、外部接続を通して、前記圧力検知センサ（２２）に接続されている、請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載の安全デバイス。
15. 複数の第１電極（４６）と複数の第２電極（４８）とを備える圧力検知センサ（２２）を用いて技術設備を監視するための方法であって、
    各第１電極（４６ａ～４６ｈ）は、各連結部位（５０）で各第２電極（４８ａ～４８ｅ）に重なり、
    前記各連結部位（５０）で前記各第１電極（４６ａ～４６ｈ）は、圧力検知材料（５６）を介して前記各第２電極（４８ａ～４８ｅ）から離間されており、いずれかの連結部位（５０）に力が加わると、関連する第１電極（４６ｇ，５２）と関連する第２電極（４８ｄ，５４）との間の電気抵抗（５８）が変化するようになされており、前記方法は、
    前記複数の第１電極（４６）と前記複数の第２電極（４８）とに連結されて、前記関連する連結部位（５０）の電気抵抗（５８）を逐次判定する測定回路を提供するステップと、
    評価ユニット（９０）により前記判定された電気抵抗（５８）の関数として出力信号を提供するステップと、を含み、
    前記測定回路は、第１選択素子（８６；１０４）と第２選択素子（９４）とを有し、
    前記第１選択素子（８６；１０４）は、前記関連する第１電極（４６ｇ，５２）を測定電位（６４）を受ける端子に接続し、前記関連する第２電極（４８ｄ，５４）を接地端子（６６）に接続し、他の第１電極と他の第２電極とを所定の電位（７０）を受ける端子に接続し、前記関連する第１電極（４６ｇ，５２）および前記関連する第２電極（５４）を通して、前記連結部位（５０）の前記電気抵抗（５８）の隔離された測定を可能にするように構成され、
    前記第１選択素子（１０４）は、個別に配置することができる３つの論理ユニット（１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ）であって、前記関連する第１電極（４６ｇ、５２）を前記測定電位（６４）を受け取るための端子に接続し、前記関連する第２電極（４８ｄ、５４）を前記接地端子（６６）に接続し、他の第１電極および他の第２電極を前記所定の電位（７０）を受け取るための端子に接続するように作用する、前記３つの論理ユニット（１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ）を有し、
    前記３つの論理ユニット（１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ）のうちの第１論理ユニット（１０４ａ）および第２論理ユニット（１０４ｂ）は、圧力検知センサ（２２）に配置され、前記３つの論理ユニット（１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ）のうちの第３論理ユニット（１０４ｃ）は、追加のプラグインボードに配置されている、方法。

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