制御機器の基礎知識 (12) 3ポジションイネーブルスイッチ

スイッチ・表示灯編 3ポジションイネーブルスイッチ

制御機器の基礎知識 【スイッチ・表示灯】 12．3ポジションイネーブルスイッチ 目次 12.1 定義 .............................................................................................................................................. 2 12.2 種類 .............................................................................................................................................. 2 12.2.1 3 ポジションイネーブルスイッチ ........................................................................................ 2 12.2.2 グリップ式のイネーブル機器 ............................................................................................... 2 12.3 原理と動作 ................................................................................................................................... 3 12.3.1 3 ポジションイネーブルスイッチに必要な動作 .................................................................. 3 12.3.2 人間工学的観点から要求される操作力 ................................................................................ 3 12.4 定格と特性 ................................................................................................................................... 4 12.5 正しい選び方 ............................................................................................................................... 4 12.6 上手な使い方 ............................................................................................................................... 5 12.6.1 操作性に配慮したイネーブル機器の設計 ............................................................................. 5 12.6.2 2 接点の不一致検出 .............................................................................................................. 5 12.6.3 モニタスイッチの使用例 ...................................................................................................... 5 12.7 故障と対策 ................................................................................................................................... 6 12.8 検査（試験） ............................................................................................................................... 6 12.8.1 形式検査 ................................................................................................................................ 6 12.8.2 受け渡し検査 ........................................................................................................................ 6 12.8.3 抜き取り検査 ........................................................................................................................ 6 12.8.4 特殊検査 ................................................................................................................................ 6 （参考 A） 関連規格、参考文献 ......................................................................................................... 7 Copyright 2013 NECA All rights reserved. http://www.neca.or.jp/ 1

12 3ポジションイネーブルスイッチ 12.1 定義 通常、ガードで危険源を隔離して自動運転を行ってい る機械は、ロボットのティーチングや段取り替え、保守、 メンテナンスなど、ガード内の危険区域で作業が必要と なる場合がある。 3 ポジションイネーブルスイッチは、主にグリップ式の イネーブル機器（ティーチングペンダントやグリップス イッチ）に組込まれて使用され、図 12.1 のように危険 区域で作業しなくてはならない場合に、機械の予期しな い動作という危険から回避するための安全装置として、 図 12.1ロボットシステム内で人が作業する環境 関連安全規格 ISO 12100(Safety of machinery - General principles for design - Risk assessment and risk reduction)/JIS B 9700(機械類の安全性－設計のための一 般原則－リスクアセスメント及びリスク低減)で要求されるイネーブル装置専用のスイッチであり、IEC 60947-5-8(Low-voltage switchgear and controlgear-Part 5-8: Control circuit devices and switching elements-Three-position enabling switches)/JIS C 8201-5-8(低圧開閉装置及び制御装置－第５－８部：制御 回路機器及び開閉素子－３ポジションイネーブルスイッチ)で仕様が定められている。 12.2 種類 12.2.1 3ポジションイネーブルスイッチ グリップ式のイネーブル機器に完全に内蔵される小 形のタイプや、露出するように取り付けたボタン部分 を直接操作可能なタイプがあり、ボタンの形状として は、人差し指から小指までの 4 本で握る長いボタン形 状のタイプや、指１～２本で握る小形ボタン形状のタ イプがある。また、ボタン部分にゴムカバーを装着す ることで防水性能を持たせたタイプなどがある。 12.2.2 グリップ式のイネーブル機器 グリップスイッチとして作業者が手で持って使用で きる形態となっているタイプ。 図 12.2 3ポジションイネーブルスイッチ これらの機器を使用することにより、作業者は移動 しながらの操作が可能となる。ティーチングペンダン トもイネーブルスイッチを組み込んだ機器のひとつで ある。 図 12.3 グリップ式のイネーブル機器 Copyright 2013 NECA All rights reserved. http://www.neca.or.jp/ 2

12.3 原理と動作 12.3.1 3ポジションイネーブルスイッチに必要な動作 図12.4 に3ポジションイネーブルスイッチに求めら れる動作の状態遷移図を示す。3ポジションイネーブル ＯＦＦ スイッチは、①～④の動作に示すように①軽く押してい Position 1 くとOFF からON になり、その状態から②離しても、③ ① 軽く押す ② 離す さらに押し込んでもOFF となり、そして押し込んだ状態 Ｏ N ④ 離す から④離すとOFF のまま元の状態に復帰する。これらの Position 2 動作はIEC 60204-1(Safety of machinery - Electrical さらに ③ 押し込む equipment of machines - Part 1: General requirements) でも要求されており、特に④離すとOFF ＯＦＦ Position 3 のまま元の状態に復帰する動作は、緊急時に咄嗟の動作 でイネーブル装置を握り込んでロボットを停止させた 図 12.4 3 ポジションイネーブルスイッチの 後、一息ついて手を緩めたときに再起動しないよう、安 OFF-ON-OFF の 3 ポジション状態遷移図 全が確認されるまで再起動を防止するという考えであ る。 例えば、オペレータがロボットを操作する場合を図12.5に 示す。図12.5（C）に一般的な2ポジションスイッチを示し、 図12.5（D）に3ポジションイネーブルスイッチを示す。図12.5 （3）の危険状態に対して、（4）びっくりして手を離した場 合はいずれの場合もロボットはその場で停止するためオペレ ータの危険は回避できる。一方、（5）びっくりして手を握り 込んだ場合は、2ポジションスイッチの場合はロボットを停止 できないが、3ポジションイネーブルスイッチの場合はロボッ トを停止させることができるため、イネーブル装置には3ポジ ションイネーブルスイッチが必要とされる。 12.3.2 人間工学的観点から要求される操作力 イネーブル装置に使用される3ポジションイネーブルスイ ッチには安全のための重要な機能を求められるが、安全面を 重視するあまり操作性が悪くなっては、かえってヒューマン エラーを招く危険性が高まる。イネーブル装置は、それ自体 でロボットなど機械装置を作動させるものではなく、「作動 を許可」する目的で操作されるので、ロボットの教示など長 時間に及ぶ作業中はずっと握り続けることが予測される。さ らに、作業に集中するとイネーブル装置に対する意識が低下 して、手の緩みまたは握り過ぎというような操作力の変化も 考慮しなくてはならない。そのため3ポジションイネーブルス イッチには、人間工学的に次のような操作性が必要とされる。 （1）ポジション2（ON 状態）の操作荷重が軽いこと。 （2）ポジション2 からポジション3 への移行において適 切な荷重差があること。 図12.5 緊急時の機械停止に対する3ポジシ （1）に関しては長時間におよぶ作業を考えれば当然である。 ョンイネーブルスイッチの有用性 また、（2）に関しては荷重差が不十分な場合、操作力の低下 または増加により不本意な作業の中断が発生するためである。 Copyright 2013 NECA All rights reserved. http://www.neca.or.jp/ 3

以上のような使用用途に応じた操作性の要求に対し、3 ポジションイネーブルスイッチの規格である IEC 60947-5-8 には表 12.1 に示すとおり、安全性と操作性の両方に配慮した操作力に対する要求がグラフ及び具体的 数値で明確に規定されている。 表 12.1 IEC 60947-5-8における 3ポジションイネーブルスイッチの要求事項 規格名 要求事項 IEC60947-5-8 1 総則 ポジション 1 ポジション 2 ポジション 3 (2006) 1.1 適用範囲 低圧開閉装置及 この規格は，3ポジションイネーブルスイッチ F5 F び制御装置 に適用する。 2 ≤ 10N －第5-8 F 部：制御 3 ≥ 2F1 これらのスイッチは、次の信号を与えるために F ≥ 2F 回路機器及び開 IEC 60204-1の10.9 3 2 の要件を満たすイネーブル F4 F5 ≥ 150N 閉素子 機器の部品として使用する。 F3 － 3ポジション a) 操作しているときには、機械の運転は別の F3F1 イネーブルスイ 起動制御により可能となる。 F2 ッチ b) F 操作していないときには 1 S S ⅰ）停止指令が発信される、又は S0 1 2 S3 S4 操作ストローク ⅱ）機械の起動ができない 動作特性 注記１イネーブルコントロール機能については、IEC60204-1 の9.2.6.3の要件を満たす。 押し操作時 ポジション 1 → 2 → 3 注記２この規格はイネーブル機器に適用しない。 復帰時 : ON (Close) 7.1.10 動作特性 ポジション 2 → 1 S : OFF (Open)1’ S1 図2は，3ポジションイネーブルスイッチを動作 復帰時 させた際の動作特性を示す。 ポジション 3 → 1 接点動作 図2 動作特性と接点動作 12.4 定格と特性 3ポジションイネーブルスイッチはIEC 60947-5-8/JIS C 8201-5-8で定められているが、求められる個別の定格 や特性は関連規格であるIEC 60947-5-1(Low-voltage switchgear and controlgear - Part 5-1: Control circuit devices and switching elements - Electromechanical control circuit devices)/JIS C 8201-5-1(低圧開閉装 置及び制御装置－第５部：制御回路機器及び開閉素子－第１節：電気機械式制御回路機器)を引用している。した がって第2章の押ボタンスイッチを参照とする。 12.5 正しい選び方 3 ポジションイネーブルスイッチは、主に固定された操作盤ではなく手持ちの操作機器に組み込まれるため、手 持ち機器の形状や重量にあわせて操作しやすいボタンのサイズを決定する。その他、保護構造(IP40、IP65)やモ ニタスイッチの有無によって適切な機種を選ぶ必要がある。なお、イネーブル機能を主とした機器ではグリップ スイッチが市販されているが、握るタイプのものや親指で操作するタイプがあり、非常停止押しボタンスイッチ やセレクタスイッチなど、追加機能が付いたグリップスイッチもある。 また、イネーブルスイッチが組込まれたティーチングペンダントも市販されている。 ＜操作方法の違いに適した形状の ＜追加機能が付いたグリップスイッチ グリップスイッチ＞ 及びティーチングペンダント＞ 図 12.6 様々なグリップ式のイネーブル機器の紹介 Copyright 2013 NECA All rights reserved. http://www.neca.or.jp/ 4 操操作作荷荷重重

12.6 上手な使い方 12.6.1 操作性に配慮したイネーブル機器の設計 長時間、操作機器を持ちながらボタンを押し続けることが予測されるため作業者の肉体的負担にならないよう に 3 ポジションイネーブスイッチは握りやすく、できる限り軽量の操作機器とすることが好ましい。また、操作 機器は手で持って操作するため、落下や無造作に機器を置いた際に、イネーブルスイッチの接点が ONしてしまわ ないようにボタンを配置する必要がある。 12.6.2 2接点の不一致検出 3ポジションイネーブルスイッチの場合、押し て停止させるだけではなく、手を離した際も高 い安全レベルで危険源を停止させる必要がある。 手を離した際は、バネの復帰による接点OPENと なるので、非常停止スイッチのような直接開路 動作（強制開離）とすることができず、接点溶 着故障を考慮しなくてはならない。 安全柵の中で危険源に近づいて作業する状 況では、通常カテゴリ3（ISO 13849-1(Safety of machinery -- Safety-related parts of control systems -- Part 1: General principles for design)）以上の高いレベルで危険源を停止させ る能力が要求されるので、イネーブルスイッチ 図 12.7 二重化不一致検出の回路 は2接点とし、安全リレーモジュール等を活用し て2接点の不一致検出を行う必要がある。 12.6.3 モニタスイッチの使用例 3ポジションイネーブルスイッチには、OFF-ON-OFF動作の3ポジションスイッチ2接点に加え、オプション機能と して手を離したことをモニタするNC接点とポジション3まで押し込んだことをモニタするNC接点備えたタイプも 存在する。 例えば、長時間使用による左手／右手の持ち替えや利き手に対す る配慮のために、ペンダントにイネーブルスイッチを左手用／右手 用2個搭載する場合、①「一方をポジション3まで押し込んだまま、 もう片方で作動の許可を与えることはできない」次に②「運転再開 するには、いったん両方とも離して安全が確認された後とすべき」 というような安全に使用するために配慮しなくてはならない機能が 必要になる。 そこで、①の制御を行うためにポジション3まで押し込んだことをモ ニタするNC接点を使用し、②の制御を行うために手を離したことを モニタするNC接点を使用すれば、この問題を解決することが可能に なる。 図 12.8 3ポジションイネーブルスイッ チを 2個搭載したティーチングペンダン ト Copyright 2013 NECA All rights reserved. http://www.neca.or.jp/ 5

12.7 故障と対策 3ポジションイネーブルスイッチに関する故障や事故原因を追及していくと、機種選定のミスや不適切な使用方 法が要因となっていることが多い。よって、前述の12.5項「正しい選び方」及び、12.6項「上手な使い方」を十 分理解されて、実践することで大半の故障は防止できる。しかし万一故障が発生した場合は、その故障内容や原 因を的確に把握し、対策に移すことが必要である。 また、3ポジションイネーブルスイッチ自体の故障（電気的、機械的）については、特に安全にかかわるため即 交換とする。 12.8 検査（試験） 性能や品質に関して、試験の結果をそれぞれの判定基準にあてはめて検証することが検査であり、この種類は 関連規格IEC 60947-5-8 /JIS C 8201-5-8にもとづき、以下各項目の通り分類できる。 12.8.1 形式検査 3ポジションイネーブルスイッチの設計の適合性を検証するものであり、主に以下の事項が挙げられる。 （1） 温度上昇 （2） 耐電圧特性 （3） 開閉素子の投入及び遮断容量（使用負荷種別の検証） （4） 条件付き短絡電流における性能 （5） 構造上の要求 （6）動作性能 （7） 保護構造 12.8.2 受け渡し検査 3ポジションイネーブルスイッチの仕上がり不具合の発見と、正しく機能するかどうか確かめる検証で、製品全 てに対し、メーカの責任をもって行う検証である。通常、機械的検査と機械的動作の検証及び耐電圧特性の検証 がある。 12.8.3 抜き取り検査 技術的及び統計上の解析によって、受け渡し検査が必要ないことが検証されたとき、受け渡し検査のかわりに 行う検証である。 12.8.4 特殊検査 メーカとユーザとの間の合意による検証で、耐久性の検証を含むものである。 Copyright 2013 NECA All rights reserved. http://www.neca.or.jp/ 6

（参考 A） 関連規格、参考文献 以下に 3ポジションイネーブルスイッチに関連の深い規格を挙げる。もちろんこれらが全てではないが、 3 ポジションイネーブルスイッチをメーカとして設計もしくはユーザとして使用する際に、参考になるも のと考える。ただし本文に掲載する規格年号は参考で、改正された場合は最新のものを参照されたい。 (1) ISO12100: 2010, Safety of machinery - General principles for design - Resk assessment and risk reduction (2) JIS B 9700: 2013, 機械類の安全性－設計のための一般原則－リスクアセスメント及びリスク低減 (3) ISO10218-1: 2011, Robots and robotic devices - Safety requirements for industrial robots - Part 1: Robots (4) ANSI/RIA R15.06: 1999, Industrial Robots and Robot Systems – Safety Requirements (5) IEC60204-1: 2005, Safety of machinery - Electrical equipment of machines - Part 1: General requirements (6) ANSI B11.19: 2010, Performance Requirement for Safeguarding (7) IEC60947-5-8: 2006, Low-voltage switchgear and controlgear –Part 5-8 Control circuit devicesand switching elements –Three-position enabling switches (8) JIS C 8201-5-8:2009, 低電圧開閉装置及び制御装置 －第5-8部：制御回路機器及び開閉素子－3ポ ジションイネーブルスイッチ (9) GS-ET-22: 2009, Principles of testing and certification for electromechanical enabling switches and enabling devices (10) IEC60529: 2001, Degrees of protection provided by enclosures (IP Code) (11) JIS C 0920: 2003, 電気機械器具の外郭による保護等級（IPコード） (12) IEC60947-5-1: 2003, Low-voltage switchgear and controlgear - Part 5-1: Control circuit devices and switching elements - Electromechanical control circuit devices (13) JIS C 8201-5-1: 2007, 低電圧開閉装置及び制御装置 －第 5 部：制御回路機器及び開閉素子 － 第 1節：電気機械式制御回路機器 (14) IEC60947-1: 2007, Low-voltage switchgear and controlgear -- Part 1: General rules (15) JIS C 8201-1: 2007, 低電圧開閉装置及び制御装置 －第 1部：通則 (16) IEC60664-1: 2007, Insulation coordination for equipment within low-voltage systems - Part 1: Principles, requirements and tests (17) JIS C 60664-1: 2009, 低圧系統内機器の絶縁協調―第 1部：基本原則，要求事項及び試験 (18) ISO13849-1:2006, Safety of machinery-safety-related parts of control systems-Part 1: General principles for design (19) IDEC 安全コンセプトブック:2008 無断複写・転載を禁じる。 Copyright 2013 NECA All rights reserved. http://www.neca.or.jp/ 7

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