(57)【要約】  本発明の課題は、半導体リレー及びメカニカルリレーを組み合わせたハイブリッドリレーを、１つの制御信号で容易に制御することにある。スイッチ装置（１）は、半導体リレー（２）と、メカニカルリレー（３）と、制御回路（４）とを備える。半導体リレー（２）は、給電路を開閉する。メカニカルリレー（３）は、半導体リレー（２）と並列に電気的に接続される接点部（３２）を有し、制御信号に応じて接点部（３２）をオン／オフすることにより給電路を開閉する。半導体リレー（２）は、半導体スイッチ（２Ｂ）を有する。制御回路（４）は、制御信号を受けて半導体スイッチ（２Ｂ）を制御することで、半導体スイッチ（２Ｂ）がオンからオフになるタイミングを、メカニカルリレー（３）の接点部（３２）がオンからオフになるタイミングよりも遅らせるように構成される。
2016199428.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源から負荷への給電路を開閉する半導体リレーと、
前記半導体リレーと並列に電気的に接続される接点部を有し、外部から入力される制御信号に応じて前記接点部をオン／オフすることにより前記給電路を開閉するメカニカルリレーと、
前記制御信号を受けて前記半導体リレーを制御する制御回路とを備え、
前記半導体リレーは、
容量成分に蓄積される電荷に応じてオン／オフすることで前記給電路を開閉する半導体スイッチを有し、
前記制御回路は、前記半導体スイッチを制御することで、前記半導体スイッチがオンからオフになるタイミングを、前記メカニカルリレーの前記接点部がオンからオフになるタイミングよりも遅らせるように構成されていることを特徴とするスイッチ装置。
【請求項２】
前記制御回路は、前記半導体スイッチを制御することで、前記半導体スイッチがオフからオンになるタイミングを、前記メカニカルリレーの前記接点部がオフからオンになるタイミングよりも早めるように構成されていることを特徴とする請求項１記載のスイッチ装置。
【請求項３】
前記制御回路は、前記半導体スイッチを制御することで、前記半導体スイッチがオフからオンになるタイミングを、前記メカニカルリレーの前記接点部がオフからオンになるタイミングよりも遅らせるように構成されていることを特徴とする請求項１記載のスイッチ装置。
【請求項４】
前記半導体リレーは、１次側と２次側とを電気的に絶縁する絶縁部をさらに有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のスイッチ装置。
【請求項５】
前記制御回路は、前記１次側に設けられて、前記制御信号を遅延させ、遅延した前記制御信号を前記半導体リレーに出力する遅延回路を有することを特徴とする請求項４記載のスイッチ装置。
【請求項６】
前記制御回路は、前記遅延回路を介して前記制御信号が入力され、前記制御信号の電圧が閾値電圧に達すると前記制御信号を出力するように構成されているバッファ回路をさらに有することを特徴とする請求項５に記載のスイッチ装置。
【請求項７】
前記制御信号に応じて前記容量成分を充電及び放電する充放電経路をさらに備え、
前記制御回路は、前記２次側に設けられて、前記充放電経路に電気的に接続されるインピーダンス回路を有し、
前記インピーダンス回路は、インピーダンス素子を有し、前記制御信号のうちオン信号が入力されると前記充放電経路を第１経路に接続し、前記制御信号のうちオフ信号が入力されると前記充放電経路を前記インピーダンス素子を含む第２経路に接続するように構成されていることを特徴とする請求項４乃至６のいずれか１項に記載のスイッチ装置。
【請求項８】
前記インピーダンス素子は、容量素子を含むことを特徴とする請求項７記載のスイッチ装置。
【請求項９】
前記絶縁部は、
前記制御信号を受けて発光する発光素子と、
前記発光素子の発する光に応じて光起電力を発生する受光素子とを備えることを特徴とする請求項７又は８に記載のスイッチ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般にスイッチ装置に関し、より詳細には、メカニカルリレーと半導体リレーとを有するスイッチ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、直流電流が流れる直流電流路を開路または閉路とする直流スイッチが知られており、たとえば文献１（日本国特許出願公開番号２０１２−２８１９３）に開示されている。この直流スイッチは、直流電流路に挿入される電子的開閉スイッチと、電子的開閉スイッチに対して並列に接続される機械的開閉スイッチとを備える。また、この直流スイッチは、機械的開閉スイッチと電子的開閉スイッチとの相互の開閉の時間差を制御するスイッチ制御回路とを備える。【０００３】
そして、スイッチ制御回路は、電子的開閉スイッチが閉路とされた所定時間後に、機械的開閉スイッチを閉路とする制御を行う。これにより、この直流スイッチは、直流電流路を導通とする場合における電子的開閉スイッチの電力損失を小さくしている。【０００４】
しかしながら、上記従来例では、電子的開閉スイッチ（半導体リレー）と機械的開閉スイッチ（メカニカルリレー）との相互の開閉の時間差を設けるためには、電子的開閉スイッチと機械的開閉スイッチとに個別に制御信号を与えて制御する必要があった。このため、従来例は、半導体リレー及びメカニカルリレーを組み合わせたハイブリッドリレーを１つの制御信号で制御することが困難であるという問題があった。
【発明の概要】
【０００５】
本発明は、上記の点に鑑みてなされており、半導体リレー及びメカニカルリレーを組み合わせたハイブリッドリレーを、１つの制御信号で容易に制御することを目的とする。
【０００６】
本発明の一態様に係るスイッチ装置は、半導体リレーと、メカニカルリレーと、制御回路とを備える。前記半導体リレーは、電源から負荷への給電路を開閉する。前記メカニカルリレーは、前記半導体リレーと並列に電気的に接続される接点部を有し、外部から入力される制御信号に応じて前記接点部をオン／オフすることにより前記給電路を開閉する。前記制御回路は、前記制御信号を受けて前記半導体リレーを制御する。前記半導体リレーは、半導体スイッチを有する。前記半導体スイッチは、容量成分に蓄積される電荷に応じてオン／オフすることで前記給電路を開閉する。前記制御回路は、前記半導体スイッチを制御することで、前記半導体スイッチがオンからオフになるタイミングを、前記メカニカルリレーの前記接点部がオンからオフになるタイミングよりも遅らせるように構成されている。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の実施形態１に係るスイッチ装置を示す概略図である。
【図２】同上のスイッチ装置を用いた回路の概略図である。
【図３】同上のスイッチ装置の動作説明図である。
【図４】本発明の実施形態１の変形例に係るスイッチ装置を示す概略図である。
【図５】同上のスイッチ装置の動作説明図である。
【図６】本発明の実施形態２に係るスイッチ装置を示す概略図である。
【図７】同上のスイッチ装置における充放電経路の一例を示す図である。
【図８】同上のスイッチ装置におけるインピーダンス回路の一例を示す図である。
【図９】電源が交流電源である場合における、同上のスイッチ装置の動作説明図である。
【図１０】電源が直流電源である場合における、同上のスイッチ装置の動作説明図である。
【図１１】同上のスイッチ装置におけるインピーダンス回路の一例を示す図である。
【図１２】同上のスイッチ装置におけるインピーダンス回路の他の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本発明の実施形態１、実施形態１の変形例、及び実施形態２に係るスイッチ装置について詳細に説明する。ただし、以下に説明する構成は、本発明の一例に過ぎず、本発明は下記の構成に限定されることはなく、これらの構成以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能である。
【０００９】
（実施形態１）
本発明の実施形態１に係るスイッチ装置１は、図１、図２に示すように、半導体リレー２と、メカニカルリレー３と、制御回路４とを備えている。半導体リレー２は、電源Ａ１から負荷Ｂ１への給電路を開閉する。メカニカルリレー３は、半導体リレー２と並列に電気的に接続される接点部３２を有し、外部から入力される制御信号に応じて接点部３２をオン／オフすることにより給電路を開閉する。制御回路４は、制御信号を受けて半導体リレー２を制御する。
【００１０】
半導体リレー２は、半導体スイッチ２Ｂを有している。半導体スイッチ２Ｂは、容量成分（キャパシタ４２）に蓄積される電荷に応じてオン／オフすることで給電路を開閉する。制御回路４は、半導体スイッチ２Ｂを制御することで、半導体スイッチ２Ｂがオンからオフになるタイミングを、メカニカルリレー３の接点部３２がオンからオフになるタイミングよりも遅らせるように構成されている。
【００１１】
＜構成＞
以下、本実施形態のスイッチ装置１について詳細に説明する。以下の説明では、「制御信号のうちオン信号が入力される」とは「制御信号がハイレベルになる」ことを意味する。また、「制御信号のうちオフ信号が入力される」とは「制御信号がローレベルになる」ことを意味する。
【００１２】
本実施形態のスイッチ装置１は、図１に示すように、一対の入力端子１０１，１０２（第１入力端子１０１、第２入力端子１０２）と、一対の出力端子１１１，１１２（第１出力端子１１１、第２出力端子１１２）とを備えている。一対の入力端子１０１，１０２には、制御回路４を介して、半導体リレー２の一対の入力端２０１，２０２（第１入力端２０１、第２入力端２０２）が電気的に接続されている。また、一対の入力端子１０１，１０２には、メカニカルリレー３の一対の入力端３０１，３０２（第１入力端３０１、第２入力端３０２）が電気的に接続されている。また、一対の出力端子１１１，１１２には、半導体リレー２の一対の出力端２１１，２１２（第１出力端２１１、第２出力端２１２）と、メカニカルリレー３の一対の出力端３１１，３１２（第１出力端３１１、第２出力端３１２）とが電気的に接続されている。つまり、メカニカルリレー３は、半導体リレー２に並列に電気的に接続されている。
【００１３】
本実施形態のスイッチ装置１は、半導体リレー２及びメカニカルリレー３の少なくともいずれか一方がオンすることでオンになる。また、本実施形態のスイッチ装置１は、半導体リレー２及びメカニカルリレー３の両方がオフすることでオフになる。
【００１４】
一対の入力端子１０１，１０２には、たとえばマイコン（マイクロコンピュータ）から制御信号が入力される。また、一対の入力端子１０１，１０２間には、過大な電圧が入力されないように、ツェナーダイオードＺＤ１が電気的に接続されている。
【００１５】
一対の出力端子１１１，１１２には、図２に示すように、電源Ａ１及び負荷Ｂ１が電気的に接続されている。したがって、一対の出力端子１１１，１１２間が非導通（スイッチ装置１がオフ）であれば、電源Ａ１から負荷Ｂ１には電力が供給されない。また、一対の出力端子１１１，１１２間が導通（スイッチ装置１がオン）すると、電源Ａ１から負荷Ｂ１に電力が供給される。つまり、本実施形態のスイッチ装置１は、電源Ａ１から負荷Ｂ１への給電路を開閉する。なお、本実施形態のスイッチ装置１では、電源Ａ１として直流電源を用いているが、交流電源を用いてもよい。
【００１６】
負荷Ｂ１は、たとえば電気自動車（Electric Vehicle：EV）である。その他、負荷Ｂ１は、たとえばセキュリティ機器、アミューズメント機器、医療機器や蓄電池システム、ヒータ、ＤＣモータなどであってもよい。負荷Ｂ１は、電源Ａ１が交流電源であれば、交流電力を供給されることにより動作する負荷で構成される。また、負荷Ｂ１は、電源Ａ１が直流電源であれば、直流電力を供給されることにより動作する負荷で構成される。また、負荷Ｂ１は、抵抗負荷であってもよいし、誘導性負荷であってもよい。本実施形態では、負荷Ｂ１は、たとえば開閉器の有するコイルであり、誘導性負荷である。
【００１７】
半導体リレー２は、いわゆる無接点リレーであり、発光素子２Ａと、半導体スイッチ２Ｂと、受光素子２Ｃとを備えている。発光素子２Ａと、半導体スイッチ２Ｂとは、互いに電気的に絶縁されている。つまり、本実施形態のスイッチ装置１では、半導体リレー２は、発光素子２Ａ及び受光素子２Ｃを用いることで、一対の入力端２０１，２０２と一対の出力端２１１，２１２との間を電気的に絶縁している。言い換えれば、半導体リレー２は、１次側（一対の入力端子１０１，１０２側）と２次側（一対の出力端子１１１，１１２側）とを電気的に絶縁する絶縁部２Ａ，２Ｃを備えているといえる。
【００１８】
この絶縁部２Ａ，２Ｃは、他の構成であってもよい。たとえば、半導体リレー２は、発光素子２Ａ及び受光素子２Ｃの代わりにキャパシタを用いることで、一対の入力端２０１，２０２と一対の出力端２１１，２１２との間を電気的に絶縁する構成であってもよい。なお、キャパシタを用いる場合、半導体リレー２は、半導体スイッチ２Ｂを駆動するためのドライブ回路をさらに備える必要がある。
【００１９】
発光素子２Ａは、一対の入力端２０１，２０２に入力される電気信号を光に変換するように構成されている。本実施形態では、発光素子２Ａは、発光ダイオードである。発光ダイオードは、アノードが第１入力端２０１に、カソードが第２入力端２０２に電気的に接続されている。発光素子２Ａは、一対の入力端２０１，２０２に入力される制御信号のうちオン信号を受けて発光する。また、発光素子２Ａは、制御信号のうちオフ信号を受けている間は発光しない。なお、発光素子２Ａを構成する発光ダイオードの数は１つに限定されず、複数であってもよい。
【００２０】
ここで、メカニカルリレー３を駆動するための制御信号のうちオン信号を半導体リレー２にそのまま入力すると、過大な電流が発光素子２Ａに流れてしまう虞がある。そこで、本実施形態のスイッチ装置１では、電流調整用の抵抗１１が発光素子２Ａに直列に電気的に接続されている。この抵抗１１により、発光素子２Ａに過大な電流が流れるのを防止している。
【００２１】
受光素子２Ｃは、発光素子２Ａが発する光を受けて光起電力を発生するように構成されている。本実施形態では、受光素子２Ｃは、複数のフォトダイオードを直列に電気的に接続してなるフォトダイオードアレイで構成されている。
【００２２】
半導体スイッチ２Ｂは、ｎチャネルのエンハンスメント型ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）である。半導体スイッチ２Ｂのゲートは、受光素子２Ｃの高電位側の一端に電気的に接続されている。また、半導体スイッチ２Ｂのドレインは、第１出力端子１１１に電気的に接続されている。また、半導体スイッチ２Ｂのソースは、受光素子２Ｃの低電位側の一端及び第２出力端子１１２に電気的に接続されている。半導体スイッチ２Ｂは、ゲート容量に蓄積される電荷に応じてオン／オフするように構成される。なお、「ゲート容量」とは、半導体スイッチ２Ｂのゲート−ソース間に存在するキャパシタ（一般的に、「ゲート入力容量」という）、及びゲート−ドレイン間に存在するキャパシタ（一般的に、「ゲート出力容量」という）である。
【００２３】
なお、本実施形態では、半導体スイッチ２Ｂは１つであるが、２つであってもよい。つまり、電源Ａ１が交流電源である場合、スイッチ装置１は、２つの半導体スイッチ２Ｂを必要とする。また、本実施形態では、半導体スイッチ２Ｂはエンハンスメント型ＭＯＳＦＥＴであるが、たとえばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の半導体素子であってもよい。
【００２４】
半導体リレー２は、半導体スイッチ２Ｂのゲート容量を充電及び放電するための充放電経路として、半導体素子２Ｄと、抵抗２Ｅとをさらに備えている。半導体素子２Ｄは、ｎチャネルのデプレッション型ＭＯＳＦＥＴである。半導体素子２Ｄのドレインは、受光素子２Ｃの高電位側の一端に電気的に接続されている。半導体素子２Ｄのゲートは、受光素子２Ｃの低電位側の一端に電気的に接続されている。また、半導体素子２Ｄのソースは、抵抗２Ｅを介して受光素子２Ｃの低電位側の一端に電気的に接続されている。言い換えれば、抵抗２Ｅは、半導体素子２Ｄのゲート−ソース間に電気的に接続されている。
【００２５】
スイッチ装置１は、制御回路４と、バリスタ（Varistor）ＶＲ１とをさらに備えている。バリスタＶＲ１は、一対の出力端２１１，２１２間に電気的に接続されている。バリスタＶＲ１は、スイッチ装置１がオフするときに一対の出力端２１１，２１２間に印加される過大な逆起電力から半導体スイッチ２Ｂを保護している。なお、バリスタＶＲ１は、負荷Ｂ１が抵抗負荷である場合、不要である。
【００２６】
制御回路４は、遅延回路５と、バッファ回路６とを有している。遅延回路５は、抵抗４１と、キャパシタ４２とを備えている。抵抗４１は、第１入力端子１０１とバッファ回路６の入力端との間に電気的に接続されている。キャパシタ４２は、抵抗４１及びバッファ回路６の入力端の接続点と、第２入力端子１０２との間に電気的に接続されている。遅延回路５は、一対の入力端子１０１，１０２に入力される制御信号を遅延させ、遅延した制御信号を半導体リレー２の一対の入力端２０１，２０２に入力するように構成されている。このため、本実施形態のスイッチ装置１では、制御信号が半導体リレー２に入力されるタイミングを、制御信号がメカニカルリレー３に入力されるタイミングよりも遅らせることができる。
【００２７】
バッファ回路６は、遅延回路５の高圧側の出力端と、半導体リレー２の第１入力端２０１との間に電気的に接続されている。バッファ回路６には、遅延回路５により遅延した制御信号が入力される。そして、バッファ回路６は、入力された制御信号の電圧が閾値電圧に達するまでは制御信号を出力せず、閾値電圧に達すると制御信号を出力する。たとえば、制御信号のうちオン信号がバッファ回路６に入力される場合、オン信号の電圧が閾値電圧を上回ると、バッファ回路６がオン信号を出力する。また、制御信号のうちオフ信号がバッファ回路６に入力される場合、オフ信号の電圧が閾値電圧を下回ると、バッファ回路６がオフ信号を出力する。
【００２８】
つまり、バッファ回路６は、遅延回路５を介して制御信号が入力され、制御信号の電圧が閾値電圧に達すると制御信号を出力するように構成されている。したがって、バッファ回路６は、遅延回路５の時定数に応じて緩やかに電圧が変化する制御信号を、矩形波状の制御信号に変換し、変換した制御信号を発光素子２Ａへ出力する。このため、本実施形態のスイッチ装置１では、半導体リレー２に時間経過に伴って緩やかに電圧が変化する制御信号が入力されないので、半導体スイッチ２Ｂが能動領域で動作する時間を短くすることができる。その結果、本実施形態のスイッチ装置１では、半導体スイッチ２Ｂの動作の安定性を向上させることができる。
【００２９】
以下、半導体リレー２の動作について説明する。一対の入力端子１０１，１０２に制御信号のうちオン信号が入力されると、遅延回路５のキャパシタ４２に電荷が蓄積され始める。このため、遅延回路５を介した制御信号の電圧は、ローレベルからハイレベルへと時間経過に伴って緩やかに上昇する。そして、キャパシタ４２に電荷が十分に蓄積され、遅延回路５を介したオン信号の電圧がバッファ回路６の閾値電圧に達すると、バッファ回路６がオン信号を出力することにより、発光素子２Ａが発光する。
【００３０】
すると、発光素子２Ａの発する光を受けて受光素子２Ｃが光起電力を発生する。そして、受光素子２Ｃから半導体素子２Ｄ及び抵抗２Ｅに電流が流れることで、抵抗２Ｅにおいて電圧降下が生じ、この電圧降下により半導体素子２Ｄがオフする。このため、受光素子２Ｃから半導体スイッチ２Ｂのゲートに電流が流れ込み、半導体スイッチ２Ｂのゲート容量が充電され、半導体スイッチ２Ｂがオンする。これにより、一対の出力端子１１１，１１２間が導通する。
【００３１】
一対の入力端子１０１，１０２に制御信号のうちオフ信号が入力されると、遅延回路５のキャパシタ４２が放電し始める。このため、遅延回路５を介した制御信号の電圧は、ハイレベルからローレベルへと時間経過に伴って緩やかに下降する。そして、キャパシタ４２が十分に放電され、遅延回路５を介したオフ信号の電圧がバッファ回路６の閾値電圧に達すると、バッファ回路６がオフ信号を出力することにより、発光素子２Ａが発光しなくなる。
【００３２】
すると、受光素子２Ｃが光起電力を発生しなくなるため、抵抗２Ｅでの電圧降下が生じなくなり、半導体素子２Ｄがオンする。これにより、半導体スイッチ２Ｂのゲート容量が、半導体素子２Ｄを介した経路で放電されるため、半導体スイッチ２Ｂがオフする。これにより、一対の出力端子１１１，１１２間が非導通となる。
【００３３】
つまり、半導体スイッチ２Ｂは、容量成分（キャパシタ４２）に蓄積される電荷に応じてオン／オフすることにより、電源Ａ１から負荷Ｂ１への給電路を開閉する。言い換えれば、半導体リレー２は、外部から入力される制御信号に応じて、電源Ａ１から負荷Ｂ１への給電路を開閉する。
【００３４】
上述のように、半導体リレー２は、発光素子２Ａと、受光素子２Ｃとを備えている。そして、半導体スイッチ２Ｂは、受光素子２Ｃの発生する光起電力によりオン／オフするように構成されている。このため、本実施形態のスイッチ装置１では、入出力間の電位差が半導体スイッチ２Ｂのオン／オフに影響し難いという利点がある。なお、半導体リレー２に当該構成を採用するか否かは任意である。
【００３５】
なお、半導体リレー２は、図１に示す回路構成に限定されない。たとえば、半導体リレー２においては、半導体スイッチ２Ｂは、発光素子２Ａの発する光の有無に応じてオン／オフするように構成されていればよい。
【００３６】
メカニカルリレー３は、いわゆる有接点リレー（たとえば、電磁リレー）であり、コイル３１と、接点部３２とを備えている。コイル３１は、その第１端が第１入力端３０１に、第２端が第２入力端３０２に電気的に接続されている。コイル３１は、一対の入力端３０１，３０２に制御信号が入力されると励磁する。
【００３７】
接点部３２は、その第１端が第１出力端３１１に、第２端が第２出力端３１２に電気的に接続されている。接点部３２は、固定接点と、可動接点とを備えている。固定接点と可動接点との間は、コイル３１の励磁・非励磁に応じて開閉する。本実施形態では、接点部３２は、コイル３１が励磁されていないときは、可動接点が固定接点から離れているためにオフである。そして、接点部３２は、コイル３１が励磁されると、可動接点が固定接点に接触することにより、オンに切り替わるように構成されている。
【００３８】
つまり、メカニカルリレー３は、一対の入力端３０１，３０２に入力される制御信号に応じて接点部３２のオン／オフを機械的に切り替えることで、一対の出力端子１１１，１１２間の導通・非導通を切り替える。言い換えれば、メカニカルリレー３は、制御信号に応じて接点部３２がオン／オフすることで、電源Ａ１から負荷Ｂ１への給電路を開閉する。
【００３９】
＜動作＞
以下、本実施形態のスイッチ装置１の動作について図３を用いて説明する。ここで、図３に示す「接点電圧」は、一対の出力端子１１１，１１２間に印加される電圧である。また、図３に示す「第１電流」は、半導体リレー２の一対の出力端２１１，２１２を流れる電流である。そして、図３に示す「第２電流」は、メカニカルリレー３の一対の出力端３１１，３１２を流れる電流である。
【００４０】
まず、時刻ｔ１０において、一対の入力端子１０１，１０２に制御信号のうちオン信号が入力されると、時刻ｔ１０から所定時間後である時刻ｔ１１（＞ｔ１０）において、メカニカルリレー３の接点部３２がオンする。このため、一対の出力端３１１，３１２間が導通し、第２電流が流れる。すると、一対の出力端子１１１，１１２間も導通するため、電源Ａ１から負荷Ｂ１への給電路が閉じ、負荷Ｂ１に電流が流れる。本実施形態では、負荷Ｂ１が誘導性負荷であるため、第２電流は、時刻ｔ１１から時刻ｔ１２（＞ｔ１１）にかけて徐々に増大する。なお、負荷Ｂ１が抵抗負荷である場合、第２電流は、時刻ｔ１１において急峻に立ち上がる。
【００４１】
時刻ｔ１２では、制御回路４によりオン信号が遅延していることから、半導体リレー２にオン信号が未だ入力されておらず、半導体リレー２の半導体スイッチ２Ｂはオンしていない。その後、時刻ｔ１２から、さらに時間が経過した時刻ｔ１３（＞ｔ１２）になると、制御回路４を介して半導体リレー２にオン信号が入力されることにより、半導体リレー２の半導体スイッチ２Ｂがオンする。このとき、接点部３２の接触抵抗は、半導体スイッチ２Ｂのオン抵抗と比較して小さいため、電源Ａ１から負荷Ｂ１へ流れる電流の殆どが接点部３２を介して流れる。このため、本実施形態のスイッチ装置１では、メカニカルリレー３を用いずに半導体リレー２のみで給電路を閉じる場合と比較して、半導体スイッチ２Ｂのオン抵抗での電力損失及び発熱が小さくなり、通電電流を大きくすることができる。なお、「通電電流」とは、電源Ａ１から負荷Ｂ１への給電路が閉じているときに、一対の出力端子１１１，１１２間を流れる電流である。
【００４２】
次に、時刻ｔ１４（＞ｔ１３）において、一対の入力端子１０１，１０２に制御信号のうちオフ信号が入力されると、時刻ｔ１４から所定時間後である時刻ｔ１５（＞ｔ１４）にメカニカルリレー３の接点部３２がオフする。すると、一対の出力端３１１，３１２間が非導通になることから、第２電流が流れなくなり、第１電流が流れる。この時点では、制御回路４によりオフ信号が遅延していることから、半導体リレー２にオフ信号が未だ入力されておらず、半導体リレー２の半導体スイッチ２Ｂはオフしていない。
【００４３】
その後、時刻ｔ１５から、さらに時間が経過した時刻ｔ１６（＞ｔ１５）になると、制御回路４を介して半導体リレー２にオフ信号が入力されることにより、半導体リレー２の半導体スイッチ２Ｂがオフする。すると、一対の出力端子１１１，１１２間が非導通になるため、電源Ａ１から負荷Ｂ１への給電路が開き、負荷Ｂ１に電流が流れなくなる。本実施形態では、負荷Ｂ１が誘導性負荷であるため、瞬間的に逆起電力が発生するが、時刻ｔ１６から時刻ｔ１７（＞ｔ１６）にかけてバリスタＶＲ１が機能することにより、接点電圧は過大な電圧とはならない。
【００４４】
ここで、メカニカルリレー３の接点部３２がオフする際には、半導体スイッチ２Ｂがオフしていないので、一対の出力端子１１１，１１２間には電源電圧が印加されていない。このため、本実施形態のスイッチ装置１では、半導体リレー２の半導体スイッチ２Ｂがメカニカルリレー３の接点部３２よりも先にオフする場合と比較して、接点部３２のオフ時にアークが生じ難い。
【００４５】
上述のように、本実施形態のスイッチ装置１では、一対の入力端子１０１，１０２に制御信号のうちオフ信号が入力されるときは、半導体スイッチ２Ｂよりも先に接点部３２がオフするように制御されるのが望ましい。以下では、この制御を「優先オフ制御」という。ここで、通常であれば、半導体スイッチ２Ｂのターンオフ時間は、接点部３２の復帰時間よりも短くなるため、半導体スイッチ２Ｂが接点部３２よりも先にオフしてしまう。
【００４６】
そこで、本実施形態では、制御回路４は、半導体スイッチ２Ｂを制御することで、半導体スイッチ２Ｂがオンからオフになるタイミングを、メカニカルリレー３の接点部３２がオンからオフになるタイミングよりも遅らせるように構成されている。このため、本実施形態のスイッチ装置１では、半導体リレー２及びメカニカルリレー３を個別に制御せずとも、１つの制御信号により優先オフ制御を実現することができる。
【００４７】
また、本実施形態では、制御回路４は、半導体スイッチ２Ｂを制御することで、半導体スイッチ２Ｂがオフからオンになるタイミングを、メカニカルリレー３の接点部３２がオフからオンになるタイミングよりも遅らせるように構成されている。このため、本実施形態のスイッチ装置１では、一対の出力端子１１１，１１２間が導通する際に、半導体スイッチ２Ｂに瞬間的に過大な電流が流れるのを防ぐことができる。なお、当該構成を採用するか否かは任意である。
【００４８】
＜効果＞
上述のように、本実施形態のスイッチ装置１では、制御回路４を備えていることから、半導体リレー２及びメカニカルリレー３を個別に制御して各々のオフタイミングをずらすといった複雑な制御が不要である。つまり、本実施形態のスイッチ装置１は、半導体リレー２及びメカニカルリレー３を組み合わせたハイブリッドリレーを、１つの制御信号により容易に制御することができる。
【００４９】
なお、本実施形態のスイッチ装置１は、制御信号がハイレベルのときに半導体スイッチ２Ｂ（接点部３２）がオンする構成であるが、他の構成であってもよい。すなわち、本実施形態のスイッチ装置１は、制御信号がローレベルのときに半導体スイッチ２Ｂ（接点部３２）がオンするように構成されていてもよい。この場合、「制御信号のうちオン信号が入力される」とは「制御信号がローレベルになる」ことを意味する。さらに、「制御信号のうちオフ信号が入力されなくなる」とは「制御信号がハイレベルになる」ことを意味する。
【００５０】
（実施形態１の変形例）
以下、本発明の実施形態１の変形例に係るスイッチ装置１Ａについて図４を用いて説明する。本変形例のスイッチ装置１Ａは、制御回路４の代わりに、制御回路４Ａを備えている点で実施形態１のスイッチ装置１と相違している。なお、本変形例のスイッチ装置１Ａのうち制御回路４Ａを除く構成は、実施形態１のスイッチ装置１と同じであるので、ここでは説明を省略する。
【００５１】
＜構成＞
図４に示すように、制御回路４Ａは、遅延回路５の代わりに、遅延回路５Ａを有している。遅延回路５Ａは、遅延回路５の抵抗４１と、キャパシタ４２とに加え、ダイオード４３と、抵抗４４，４５とをさらに備えている。また、遅延回路５Ａにおいて、抵抗４１の抵抗値は、実施形態１の遅延回路５における抵抗４１の抵抗値よりも小さくなっている。ダイオード４３は、アノードが第１入力端子１０１に、カソードが抵抗４１に電気的に接続されている。抵抗４４は、キャパシタ４２に並列に電気的に接続されている。抵抗４４の抵抗値は、抵抗４１の抵抗値よりも大きくなっている。抵抗４５は、キャパシタ４２に直列に電気的に接続されている。抵抗４５の抵抗値は、抵抗４１の抵抗値と同程度である。
【００５２】
ここで、一対の入力端子１０１，１０２間に制御信号のうちオン信号が入力されるとき、遅延回路５Ａでは、抵抗４１の抵抗値が実施形態１の遅延回路５における抵抗４１の抵抗値よりも小さくなっていることから、遅延回路５よりも時定数が小さい。したがって、制御回路４Ａによるオン信号の遅延時間は、実施形態１の制御回路４によるオン信号の遅延時間よりも短くなっている。
【００５３】
また、一対の入力端子１０１，１０２間に制御信号のうちオフ信号が入力されるとき、遅延回路５Ａでは、キャパシタ４２に蓄積された電荷がメカニカルリレー３へと放電するのをダイオード４３により防止している。さらに、遅延回路５Ａでは、キャパシタ４２に並列に接続された抵抗４４、及びキャパシタ４２に直列に接続された抵抗４５により、キャパシタ４２に蓄積された電荷が放電する時間を比較的長くしている。したがって、制御回路４Ａによるオフ信号の遅延時間は、制御回路４Ａによるオン信号の遅延時間よりも長くなっている。
【００５４】
本変形例のスイッチ装置１Ａでは、半導体リレー２の半導体スイッチ２Ｂのターンオン時間が、メカニカルリレー３の接点部３２の動作時間と比較して短いという特性を利用している。つまり、制御回路４Ａによるオン信号の遅延時間を、半導体スイッチ２Ｂのターンオン時間と接点部３２の動作時間との差分よりも短くしている。このため、本変形例のスイッチ装置１Ａでは、オン信号が制御回路４Ａにより遅延しても、半導体スイッチ２Ｂがオフからオンになるタイミングを、接点部３２がオフからオンになるタイミングよりも早めることが可能である。また、本変形例のスイッチ装置１Ａでは、制御回路４Ａにより、オン信号の遅延時間よりもオフ信号の遅延時間を長くしている。このため、本変形例のスイッチ装置１Ａでは、実施形態１の制御回路４と同様に、半導体スイッチ２Ｂがオンからオフになるタイミングを、接点部３２がオンからオフになるタイミングよりも遅らせることが可能である。
【００５５】
＜動作＞
以下、本変形例のスイッチ装置１Ａの動作について図５を用いて説明する。まず、時刻ｔ２０において、一対の入力端子１０１，１０２に制御信号のうちオン信号が入力されると、時刻ｔ２０から所定時間後である時刻ｔ２１（＞ｔ２０）において、半導体リレー２の半導体スイッチ２Ｂがオンする。このため、一対の出力端３１１，３１２間が導通し、第１電流が流れる。すると、一対の出力端子１１１，１１２間も導通するため、電源Ａ１から負荷Ｂ１への給電路が閉じ、負荷Ｂ１に電流が流れる。本実施形態では、負荷Ｂ１が誘導性負荷であるため、第１電流は、時刻ｔ２１から時刻ｔ２２（＞ｔ２１）にかけて徐々に増大する。なお、負荷Ｂ１が抵抗負荷である場合、第１電流は、時刻ｔ２１において急峻に立ち上がる。
【００５６】
この時点では、メカニカルリレー３の接点部３２はオンしていない。その後、時刻ｔ２２から所定時間後である時刻ｔ２３（＞ｔ２２）において、メカニカルリレー３の接点部３２がオンする。ここで、メカニカルリレー３の接点部３２がオンする際に、接点電圧は、半導体スイッチ２Ｂのドレイン−ソース間のオン抵抗での電圧降下に応じた電圧となるため、電源電圧の最大電圧と比較して小さい。このため、本変形例のスイッチ装置１Ａでは、半導体リレー２を用いずにメカニカルリレー３のみで給電路を閉じる場合と比較して、接点部３２のオン時に生じ得る突入電流を小さくすることができる。
【００５７】
次に、時刻ｔ２４（＞ｔ２３）において、一対の入力端子１０１，１０２に制御信号のうちオフ信号が入力されると、時刻ｔ２４から所定時間後である時刻ｔ２５（＞ｔ２４）にメカニカルリレー３の接点部３２がオフする。すると、一対の出力端３１１，３１２間が非導通になることから、第２電流が流れなくなり、第１電流が流れる。この時点では、制御回路４Ａによりオフ信号が遅延していることから、半導体リレー２にオフ信号が未だ入力されておらず、半導体リレー２の半導体スイッチ２Ｂはオフしていない。
【００５８】
その後、時刻ｔ２５から、さらに時間が経過した時刻ｔ２６（＞ｔ２５）になると、制御回路４Ａを介して半導体リレー２にオフ信号が入力されることにより、半導体リレー２の半導体スイッチ２Ｂがオフする。すると、一対の出力端子１１１，１１２間が非導通になるため、電源Ａ１から負荷Ｂ１への給電路が開き、負荷Ｂ１に電流が流れなくなる。なお、時刻ｔ２６から時刻２７（＞ｔ２６）までは、バリスタＶＲ１が機能している時間である。
【００５９】
上述のように、本変形例のスイッチ装置１Ａでは、一対の入力端子１０１，１０２に制御信号のうちオン信号を入力するときは、メカニカルリレー３の接点部３２よりも先に半導体リレー２の半導体スイッチ２Ｂがオンするように制御されるのが望ましい。以下では、この制御を「優先オン制御」という。
【００６０】
本変形例のスイッチ装置１Ａでは、半導体スイッチ２Ｂのターンオン時間が接点部３２の動作時間と比較して短いという特性を利用しつつ、制御回路４Ａを用いることで、優先オン制御を実現している。つまり、本変形例では、制御回路４Ａは、半導体スイッチ２Ｂを制御することで、半導体スイッチ２Ｂがオフからオンになるタイミングを、メカニカルリレー３の接点部３２がオフからオンになるタイミングよりも早めるように構成されている。このため、本変形例のスイッチ装置１Ａでは、半導体リレー２及びメカニカルリレー３を個別に制御せずとも、１つの制御信号により優先オン制御を実現することができる。また、本変形例のスイッチ装置１Ａでは、実施形態１の制御回路４と同様に、制御回路４Ａを用いることで、優先オフ制御も実現している。
【００６１】
＜効果＞
上述のように、本変形例のスイッチ装置１Ａでは、制御回路４Ａを備えていることから、半導体リレー２及びメカニカルリレー３を個別に制御して各々のオン／オフのタイミングをずらすといった複雑な制御が不要である。つまり、本変形例のスイッチ装置１Ａは、半導体リレー２及びメカニカルリレー３を組み合わせたハイブリッドリレーを、１つの制御信号で容易に制御することができる。
【００６２】
（実施形態２）
本発明の実施形態２に係るスイッチ装置１Ｂは、図６に示すように、半導体リレー２と、メカニカルリレー３と、制御回路４Ｂとを備える。半導体リレー２は、電源Ａ１から負荷Ｂ１への給電路に電気的に接続され、外部から入力される第１制御信号に応じて給電路を開閉する。メカニカルリレー３は、半導体リレー２と並列に電気的に接続され、外部から入力される第２制御信号に応じて給電路を開閉する。
【００６３】
半導体リレー２は、半導体スイッチ２３，２４を有する。半導体スイッチ２３，２４は、第１制御信号に応じてオン／オフすることで給電路を開閉する。また、半導体スイッチ２３，２４は、容量成分（ゲート容量）に蓄積される電荷に応じてオン／オフするように構成される。
【００６４】
制御回路４Ｂは、充放電経路２５と、インピーダンス回路２６とを有する。充放電経路２５は、半導体スイッチ２３，２４のゲート容量を充電及び放電する。インピーダンス回路２６は、充放電経路２５に電気的に接続される。また、インピーダンス回路２６は、インピーダンス素子２６１を有し、制御信号（第１制御信号）のうちオン信号が入力されると充放電経路２５に第１経路Ｓ１を接続するように構成される。さらに、インピーダンス回路２６は、制御信号（第１制御信号）のうちオフ信号が入力されると充放電経路２５をインピーダンス素子２６１を含む第２経路Ｓ２に接続するように構成される。
【００６５】
＜構成＞
以下、本実施形態のスイッチ装置１Ｂについて詳細に説明する。ただし、本実施形態のスイッチ装置１Ｂにおいて、実施形態１のスイッチ装置１と共通する部分については、説明を省略する。なお、本実施形態のスイッチ装置１Ｂでは、電源Ａ１として交流電源を用いているが、直流電源を用いてもよい。
【００６６】
また、以下の説明では、「第１制御信号（第２制御信号）のうちオン信号が入力される」とは「第１制御信号（第２制御信号）がハイレベルになる」ことを意味する。さらに、「第１制御信号（第２制御信号）のうちオフ信号が入力される」とは「第１制御信号（第２制御信号）がローレベルになる」ことを意味する。
【００６７】
本実施形態では、制御信号は、半導体リレー２の一対の入力端２０１，２０２に第１制御信号として入力される。また、本実施形態では、制御信号は、メカニカルリレー３の一対の入力端３０１，３０２に第２制御信号として入力される。つまり、本実施形態のスイッチ装置１Ｂでは、第１制御信号と第２制御信号とは、同じである。言い換えれば、第１制御信号及び第２制御信号は、周期が互いに同一であり、かつ位相が互いに同一である。もちろん、第１制御信号と第２制御信号とは、互いに異なる制御信号であってもよい。
【００６８】
半導体リレー２は、いわゆる無接点リレーであり、発光素子２１と、受光素子２２と、２つの半導体スイッチ２３，２４とを有している。
【００６９】
発光素子２１は、一対の入力端２０１，２０２に入力される電気信号を光に変換するように構成されている。本実施形態のスイッチ装置１では、発光素子２１は発光ダイオードである。発光ダイオードは、アノードが第１入力端２０１に、カソードが第２入力端２０２に電気的に接続されている。発光素子２１は、一対の入力端２０１，２０２に入力される第１制御信号を受けて発光する。なお、発光素子２１を構成する発光ダイオードの数は１つに限定されず、複数であってもよい。
【００７０】
ここで、本実施形態のスイッチ装置１Ｂでは、上述のように第１制御信号及び第２制御信号が同じである。このため、本実施形態のスイッチ装置１Ｂでは、第１入力端子１０１と半導体リレー２の第１入力端２０１との間に、電流調整用の抵抗１１が電気的に接続されている。この抵抗１１により、発光素子２１に過大な電流が流れるのを防止している。なお、第１制御信号と第２制御信号とを個別に半導体リレー２及びメカニカルリレー３に入力する場合には、抵抗１１は不要である。
【００７１】
受光素子２２は、発光素子２１が発する光を受けて光起電力を発生するように構成されている。本実施形態のスイッチ装置１Ｂでは、受光素子２２は、複数のフォトダイオードを直列に電気的に接続してなるフォトダイオードアレイで構成されている。フォトダイオードアレイは、アノードが充放電経路２５の高電位側の一端に、カソードが充放電経路２５の低電位側の一端に電気的に接続されている。
【００７２】
半導体スイッチ２３，２４は、いずれもｎチャネルのエンハンスメント型ＭＯＳＦＥＴである。半導体スイッチ２３，２４のゲートは、受光素子２２の高電位側の一端に電気的に接続されている。半導体スイッチ２３，２４のソースは、インピーダンス回路２６を介して、受光素子２２の低電位側の一端に電気的に接続されている。また、半導体スイッチ２３のドレインは、第１出力端子１１１に電気的に接続されている。半導体スイッチ２４のドレインは、第２出力端子１１２に電気的に接続されている。つまり、半導体スイッチ２３，２４は、一対の出力端子１１１，１１２間に直列に電気的に接続されている。
【００７３】
半導体スイッチ２３，２４は、いずれも容量成分（ゲート容量）に蓄積される電荷に応じてオン／オフするように構成される。なお、「ゲート容量」とは、半導体スイッチ２３，２４のゲート−ソース間に存在するキャパシタ、及びゲート−ドレイン間に存在するキャパシタである。
【００７４】
なお、本実施形態のスイッチ装置１Ｂでは、半導体スイッチ（２３，２４）は２つであるが、１つであってもよい。つまり、電源Ａ１が交流電源である場合、スイッチ装置１は、２つの半導体スイッチ（２３，２４）を必要とする。一方、電源Ａ１が直流電源である場合、スイッチ装置１Ｂは、高電位側の半導体スイッチ（２３，２４のいずれか）を１つ必要とする。また、本実施形態のスイッチ装置１Ｂでは、半導体スイッチ（２３，２４）はエンハンスメント型ＭＯＳＦＥＴであるが、たとえばＩＧＢＴ等の半導体素子であってもよい。
【００７５】
制御回路４Ｂは、充放電経路２５と、インピーダンス回路２６とを有している。充放電経路２５は、半導体スイッチ２３，２４のゲート容量を充電及び放電するように構成されている。本実施形態のスイッチ装置１Ｂでは、充放電経路２５は、受光素子２２と並列に電気的に接続される抵抗２５１を含んで構成されている。
【００７６】
以下、充放電経路２５の機能について簡単に説明する。受光素子２２に光起電力が発生すると、受光素子２２から半導体スイッチ２３，２４のゲートに電流が流れ込み、半導体スイッチ２３，２４のゲート容量が充電される。受光素子２２に光起電力が発生しなくなると、充放電経路２５の抵抗２５１を介して半導体スイッチ２３，２４のゲート容量が放電される。
【００７７】
ところで、本実施形態のスイッチ装置１Ｂでは、充放電経路２５は抵抗２５１を含んで構成されているが、他の構成であってもよい。たとえば、充放電経路２５は、図７に示すように、半導体素子２５２と、抵抗２５３とを含んで構成されていてもよい。半導体素子２５２は、ｎチャネルのデプレッション型ＭＯＳＦＥＴである。半導体素子２５２のドレインは、受光素子２２の高電位側の一端に電気的に接続されている。半導体素子２５２のゲートは、受光素子２２の低電位側の一端に電気的に接続されている。また、半導体素子２５２のソースは、抵抗２５３を介して受光素子２２の低電位側の一端に電気的に接続されている。言い換えれば、抵抗２５３は、半導体素子２５２のゲート−ソース間に電気的に接続されている。
【００７８】
この充放電経路２５の機能について簡単に説明する。受光素子２２に光起電力が発生すると、受光素子２２から半導体素子２５２及び抵抗２５３に電流が流れる。すると、抵抗２５３において電圧降下が生じ、この電圧降下により半導体素子２５２がオフする。このため、受光素子２２から半導体スイッチ２３，２４のゲートに電流が流れ込み、半導体スイッチ２３，２４のゲート容量が充電される。受光素子２２に光起電力が発生しなくなると、抵抗２５３での電圧降下が生じなくなり、半導体素子２５２がオンする。このため、半導体スイッチ２３，２４のゲート容量は、半導体素子２５２を介した経路で放電される。
【００７９】
インピーダンス回路２６は、インピーダンス素子２６１と、スイッチ２６２とを有している。インピーダンス素子２６１は、受光素子２２の低電位側の一端と、半導体スイッチ２３，２４のソースとの間に電気的に接続されている。スイッチ２６２は、インピーダンス素子２６１に並列に電気的に接続されている。インピーダンス回路２６は、一対の入力端２０１，２０２に第１制御信号のうちオン信号が入力されると、電流が流れる経路を、スイッチ２６２を介する第１経路Ｓ１に切り替えるように構成されている。また、インピーダンス回路２６は、一対の入力端２０１，２０２に第１制御信号のうちオフ信号が入力されると、電流が流れる経路を、インピーダンス素子２６１を介する第２経路Ｓ２に切り替えるように構成されている。言い換えれば、インピーダンス回路２６は、第１制御信号のうちオン信号が入力されると、半導体スイッチ２３，２４のゲート容量を充電及び放電する充放電経路２５を第１経路Ｓ１に接続するように構成されている。また、インピーダンス回路２６は、第１制御信号のうちオフ信号が入力されると充放電経路２５をインピーダンス素子２６１を含む第２経路Ｓ２に接続するように構成されている。
【００８０】
インピーダンス回路２６の具体的な回路構成の一例を図８に示す。このインピーダンス回路２６は、抵抗Ｒ１（インピーダンス素子２６１）と、ダイオードＤ１（スイッチ２６２）とで構成される。抵抗Ｒ１は、受光素子２２の低電位側の一端と、半導体スイッチ２３，２４のソースとの間に電気的に接続される。ダイオードＤ１は、抵抗Ｒ１と並列に電気的に接続される。また、ダイオードＤ１は、アノードが半導体スイッチ２３，２４のソースに、カソードが受光素子２２の低電位側の一端に電気的に接続される。
【００８１】
この構成では、一対の入力端２０１，２０２に第１制御信号のうちオン信号が入力されると、半導体スイッチ２３，２４のゲート容量を充電するように電流が流れるため、ダイオードＤ１を介する経路（つまり、第１経路Ｓ１）に電流が流れる。また、一対の入力端２０１，２０２に第１制御信号のうちオフ信号が入力されると、半導体スイッチ２３，２４のゲート容量を放電するように電流が流れるため、抵抗Ｒ１を介する経路（つまり、第２経路Ｓ２）に電流が流れる。
【００８２】
以下、半導体リレー２の動作について説明する。一対の入力端２０１，２０２に第１制御信号のうちオン信号が入力されると、発光素子２１が発光する。すると、発光素子２１の発する光を受けて受光素子２２が光起電力を発生する。そして、受光素子２２からインピーダンス回路２６の第１経路Ｓ１を介して半導体スイッチ２３，２４のゲートに電流が流れ込むことで半導体スイッチ２３，２４のゲート容量が充電され、半導体スイッチ２３，２４がオンする。これにより、一対の出力端子１１１，１１２間が導通する。
【００８３】
一対の入力端２０１，２０２に第１制御信号のうちオフ信号が入力されると、発光素子２１が発光しなくなる。このため、受光素子２２が光起電力を発生しなくなる。すると、半導体スイッチ２３，２４のゲート容量が、充放電経路２５の抵抗２５１及びインピーダンス回路２６の第２経路Ｓ２を介して放電され、半導体スイッチ２３，２４がオフする。これにより、一対の出力端子１１１，１１２間が非導通となる。
【００８４】
つまり、半導体リレー２は、一対の入力端２０１，２０２に入力される第１制御信号に応じて半導体スイッチ２３，２４のオン／オフを切り替えることで、一対の出力端子１１１，１１２間の導通・非導通を切り替える。言い換えれば、半導体リレー２は、第１制御信号に応じて半導体スイッチ２３，２４がオン／オフすることで、電源Ａ１から負荷Ｂ１への給電路を開閉する。
【００８５】
なお、本実施形態のスイッチ装置１Ｂでは、半導体リレー２は、発光素子２１及び受光素子２２を用いることで、一対の入力端２０１，２０２と一対の出力端２１１，２１２との間を電気的に絶縁している。つまり、半導体リレー２は、１次側（一対の入力端子１０１，１０２側）と２次側（一対の出力端子１１１，１１２側）とを電気的に絶縁する絶縁部２１，２２を備えているといえる。この絶縁部２１，２２は、他の構成であってもよい。たとえば、半導体リレー２は、発光素子２１及び受光素子２２の代わりにキャパシタを用いることで、一対の入力端２０１，２０２と一対の出力端２１１，２１２との間を電気的に絶縁する構成であってもよい。なお、キャパシタを用いる場合、半導体リレー２は、半導体スイッチ２３，２４を駆動するためのドライブ回路をさらに備える必要がある。
【００８６】
＜動作＞
以下、本実施形態のスイッチ装置１Ｂの動作について図９を用いて説明する。なお、図１０には、電源Ａ１が直流電源である場合における本実施形態のスイッチ装置１Ｂの動作を示しているが、電源Ａ１が交流電源である場合と同様であるので、ここでは説明を省略する。ここで、図９、図１０に示す「電源電圧」は、電源Ａ１の出力電圧である。また、図９、図１０に示す「制御信号」は、第１制御信号及び第２制御信号の総称である。
【００８７】
まず、時刻ｔ０において、一対の入力端子１０１，１０２に制御信号のうちオン信号が入力されると、半導体リレー２の半導体スイッチ２３，２４がオンする。このため、一対の出力端２１１，２１２間が導通し、第１電流が流れる。すると、一対の出力端子１１１，１１２間も導通するため、電源Ａ１から負荷Ｂ１への給電路が閉じ、負荷Ｂ１に電流が流れる。この時点では、メカニカルリレー３の接点部３２はオンしていない。その後、時刻ｔ０から所定時間後である時刻ｔ１（＞ｔ０）において、メカニカルリレー３の接点部３２がオンする。
【００８８】
ここで、メカニカルリレー３の接点部３２がオンする際に、接点電圧は、半導体スイッチ２３，２４のドレイン−ソース間のオン抵抗での電圧降下に応じた電圧となるため、電源電圧の最大電圧と比較して小さい。このため、本実施形態のスイッチ装置１Ｂでは、半導体リレー２を用いずにメカニカルリレー３のみで給電路を閉じる場合と比較して、接点部３２のオン時に生じ得る突入電流を小さくすることができる。また、接点部３２の接触抵抗は、半導体スイッチ２３，２４のオン抵抗と比較して小さいため、電源Ａ１から負荷Ｂ１へ流れる電流の殆どが接点部３２を介して流れる。このため、本実施形態のスイッチ装置１Ｂでは、メカニカルリレー３を用いずに半導体リレー２のみで給電路を閉じる場合と比較して、半導体スイッチ２３，２４のオン抵抗での電力損失及び発熱が小さくなり、通電電流を大きくすることができる。
【００８９】
次に、時刻ｔ２（＞ｔ１）において、一対の入力端子１０１，１０２に制御信号のうちオフ信号が入力されると、時刻ｔ２から所定時間後である時刻ｔ３（＞ｔ２）にメカニカルリレー３の接点部３２がオフする。すると、一対の出力端３１１，３１２間が非導通になることから、第２電流が流れなくなり、第１電流が流れる。この時点では、半導体リレー２の半導体スイッチ２３，２４はオフしていない。その後、時刻ｔ３からさらに所定時間後である時刻ｔ４（＞ｔ３）において、半導体リレー２の半導体スイッチ２３，２４がオフする。すると、一対の出力端子１１１，１１２間が非導通になるため、電源Ａ１から負荷Ｂ１への給電路が開き、負荷Ｂ１に電流が流れなくなる。
【００９０】
ここで、メカニカルリレー３の接点部３２がオフする際には、半導体スイッチ２３，２４がオフしていないので、一対の出力端子１１１，１１２間には電源電圧が印加されていない。このため、本実施形態のスイッチ装置１Ｂでは、半導体リレー２の半導体スイッチ２３，２４がメカニカルリレー３の接点部３２よりも先にオフする場合と比較して、接点部３２のオフ時にアークが生じ難い。これは、電源Ａ１が直流電源である場合に、とくに有効である。
【００９１】
上述のように、本実施形態のスイッチ装置１Ｂは、一対の入力端子１０１，１０２に制御信号のうちオン信号を入力するときは、メカニカルリレー３の接点部３２よりも先に半導体リレー２の半導体スイッチ２３，２４がオンするように制御されるのが望ましい。つまり、本実施形態のスイッチ装置１Ｂは、優先オン制御を実行できるのが望ましい。そこで、本実施形態のスイッチ装置１Ｂでは、半導体リレー２の半導体スイッチ２３，２４のターンオン時間が、メカニカルリレー３の接点部３２の動作時間と比較して短いという特性を利用している。このため、本実施形態のスイッチ装置１Ｂでは、半導体リレー２及びメカニカルリレー３を個別に制御せずとも、１つの制御信号により優先オン制御を実現することができる。
【００９２】
また、本実施形態のスイッチ装置１Ｂでは、上述のように、一対の入力端子１０１，１０２に制御信号のうちオフ信号が入力されるときは、半導体スイッチ２３，２４よりも先に接点部３２がオフするように制御されるのが望ましい。つまり、本実施形態のスイッチ装置１Ｂは、優先オフ制御を実行できるのが望ましい。ここで、通常であれば、半導体スイッチ２３，２４のターンオフ時間は、接点部３２の復帰時間よりも短くなるため、半導体スイッチ２３，２４が接点部３２よりも先にオフしてしまう。
【００９３】
そこで、本実施形態のスイッチ装置１Ｂでは、制御信号（第１制御信号）のうちオフ信号が入力されると、インピーダンス回路２６の第２経路Ｓ２を介して半導体スイッチ２３，２４のゲート容量を放電する。つまり、インピーダンス素子２６１を介して半導体スイッチ２３，２４のゲート容量を放電することにより、時定数を大きくし、半導体スイッチ２３，２４のターンオン時間が接点部３２の復帰時間よりも長くなるようにしている。このため、本実施形態のスイッチ装置１Ｂでは、半導体リレー２及びメカニカルリレー３を個別に制御せずとも、１つの制御信号により優先オフ制御を実現することができる。
【００９４】
ただし、インピーダンス素子２６１を介して半導体スイッチ２３，２４のゲート容量を充電させると、半導体スイッチ２３，２４のターンオン時間が接点部３２の動作時間よりも長くなる虞がある。そこで、本実施形態のスイッチ装置１Ｂでは、制御信号（第１制御信号）のうちオン信号が入力されるときは、インピーダンス回路２６の第１経路Ｓ１を介して半導体スイッチ２３，２４のゲート容量を充電する。つまり、制御信号のうちオン信号が入力されるときは、インピーダンス素子２６１を介さずに半導体スイッチ２３，２４のゲート容量が充電されるので、半導体スイッチ２３，２４のターンオン時間が長くなるのを防ぐことができる。
【００９５】
つまり、本実施形態では、制御回路４Ｂは、半導体スイッチ２３，２４を制御することで、半導体スイッチ２３，２４がオンからオフになるタイミングを、メカニカルリレー３の接点部３２がオンからオフになるタイミングよりも遅らせるように構成されている。また、本実施形態では、制御回路４Ｂは、半導体スイッチ２３，２４を制御することで、半導体スイッチ２３，２４がオフからオンになるタイミングを、メカニカルリレー３の接点部３２がオフからオンになるタイミングよりも早めるように構成されている。
【００９６】
もちろん、本実施形態のスイッチ装置１Ｂは、制御信号（第１制御信号）のうちオン信号が入力されるときに、インピーダンス回路２６の第２経路Ｓ２を介して半導体スイッチ２３，２４のゲート容量を充電するように構成されていてもよい。この構成では、制御回路４Ｂは、半導体スイッチ２３，２４を制御することで、半導体スイッチ２３，２４がオフからオンになるタイミングを、メカニカルリレー３の接点部３２がオフからオンになるタイミングよりも遅らせる構成となる。
【００９７】
＜効果＞
上述のように、本実施形態のスイッチ装置１Ｂは、充放電経路２５及びインピーダンス回路２６を有する制御回路４Ｂを備えている。そして、本実施形態のスイッチ装置１Ｂでは、制御回路４Ｂを備えることにより、半導体リレー２及びメカニカルリレー３を個別に制御せずとも、１つの制御信号で優先オン制御及び優先オフ制御を実現することができる。そして、本実施形態のスイッチ装置１Ｂでは、半導体リレー２を第１制御信号で、メカニカルリレー３を第２制御信号で個別に制御してもよい。つまり、本実施形態のスイッチ装置１Ｂは、制御の自由度を高くすることができる。
【００９８】
とくに、本実施形態のスイッチ装置１Ｂでは、半導体リレー２及びメカニカルリレー３は、１つの制御信号により制御される。言い換えれば、本実施形態のスイッチ装置１Ｂでは、第１制御信号及び第２制御信号が同じである。この構成では、半導体リレー２及びメカニカルリレー３の各々を制御するタイミングをずらすといった複雑な制御が不要であり、制御が容易になるという利点がある。つまり、この構成では、半導体リレー２及びメカニカルリレー３を組み合わせたハイブリッドリレーを、１つの制御信号で容易に制御することができる。なお、当該構成を採用するか否かは任意である。
【００９９】
また、本実施形態のスイッチ装置１Ｂでは、半導体リレー２は、発光素子２１と、受光素子２２とを備えている。そして、半導体スイッチ２３，２４は、受光素子２２の発生する光起電力によりオン／オフするように構成されている。このため、本実施形態のスイッチ装置１Ｂでは、入出力間の電位差が半導体スイッチ２３，２４のオン／オフに影響し難いという利点がある。なお、半導体リレー２に当該構成を採用するか否かは任意である。
【０１００】
ところで、インピーダンス回路２６は、図８に示す構成に限定されず、他の構成であってもよい。たとえば、インピーダンス回路２６は、図１１に示すように、抵抗Ｒ１（インピーダンス素子２６１）と、スイッチング素子Ｑ１（スイッチ２６２）とで構成されていてもよい。
【０１０１】
抵抗Ｒ１は、図８に示す構成と同様に、受光素子２２の低電位側の一端と、半導体スイッチ２３，２４のソースとの間に電気的に接続される。スイッチング素子Ｑ１は、ｎチャネルのエンハンスメント型ＭＯＳＦＥＴである。スイッチング素子Ｑ１のゲートは、受光素子２２の高電位側の一端に電気的に接続されている。スイッチング素子Ｑ１のドレインは、半導体スイッチ２３，２４のソースに電気的に接続されている。スイッチング素子Ｑ１のソースは、受光素子２２の低電位側の一端に電気的に接続されている。
【０１０２】
この構成では、一対の入力端２０１，２０２に第１制御信号のうちオン信号が入力されると、スイッチング素子Ｑ１がオンするため、スイッチング素子Ｑ１を介する経路（つまり、第１経路Ｓ１）に電流が流れる。また、一対の入力端２０１，２０２に第１制御信号のうちオフ信号が入力されると、スイッチング素子Ｑ１がオフするため、抵抗Ｒ１を介する経路（つまり、第２経路Ｓ２）に電流が流れる。
【０１０３】
また、インピーダンス回路２６は、たとえば図１２に示すように、抵抗Ｒ１（インピーダンス素子２６１）と、キャパシタＣ１（インピーダンス素子２６１）と、ダイオードＤ１（スイッチ２６２）とで構成されていてもよい。抵抗Ｒ１及びダイオードＤ１は、図８に示す構成と同様である。キャパシタＣ１は、抵抗Ｒ１に並列に電気的に接続される。
【０１０４】
つまり、インピーダンス素子２６１は、容量素子（ここでは、キャパシタＣ１）を含んでいてもよい。この構成では、インピーダンス素子２６１を単に抵抗のみで構成する場合と比較して、より効果的に半導体スイッチ２３，２４のターンオフ時間を長くすることができる。なお、図１２に示す構成では、インピーダンス素子２６１は、抵抗Ｒ１及びキャパシタＣ１で構成されているが、キャパシタＣ１のみで構成されていてもよい。
【０１０５】
なお、本実施形態のスイッチ装置１Ｂは、第１制御信号（第２制御信号）がハイレベルのときに半導体スイッチ２３，２４（接点部３２）がオンする構成であるが、他の構成であってもよい。すなわち、本実施形態のスイッチ装置１Ｂは、第１制御信号（第２制御信号）がローレベルのときに半導体スイッチ２３，２４（接点部３２）がオンするように構成されていてもよい。この場合、「第１制御信号（第２制御信号）のうちオン信号が入力される」とは「第１制御信号（第２制御信号）がローレベルになる」ことを意味する。さらに、「第１制御信号（第２制御信号）のうちオフ信号が入力される」とは「第１制御信号（第２制御信号）がハイレベルになる」ことを意味する。
【０１０６】
ところで、本実施形態のスイッチ装置１Ｂは、実施形態１の制御回路４や実施形態１の変形例の制御回路４Ａをさらに備えていてもよい。この場合も、半導体リレー２及びメカニカルリレー３を個別に制御せずとも、１つの制御信号で優先オン制御及び優先オフ制御を実現することが可能である。
【０１０７】
以上述べた実施形態から明らかなように、本発明の第１の態様に係るスイッチ装置（１，１Ａ，１Ｂ）は、半導体リレー（２）と、メカニカルリレー（３）と、制御回路（４，４Ａ，４Ｂ）とを備えている。半導体リレー（２）は、電源（Ａ１）から負荷（Ｂ１）への給電路を開閉する。メカニカルリレー（３）は、半導体リレー（２）と並列に電気的に接続される接点部（３２）を有し、外部から入力される制御信号に応じて接点部（３２）をオン／オフすることにより給電路を開閉する。制御回路（４，４Ａ，４Ｂ）は、制御信号を受けて半導体リレー（２）を制御する。
【０１０８】
半導体リレー（２）は、半導体スイッチ（２Ｂ，２３，２４）を有している。半導体スイッチ（２Ｂ，２３，２４）は、容量成分に蓄積される電荷に応じてオン／オフすることで給電路を開閉する。制御回路（４，４Ａ，４Ｂ）は、半導体スイッチ（２Ｂ，２３，２４）を制御することで、半導体スイッチ（２Ｂ，２３，２４）がオンからオフになるタイミングを、メカニカルリレー（３）の接点部（３２）がオンからオフになるタイミングよりも遅らせるように構成されている。
【０１０９】
また、本発明の第２の態様に係るスイッチ装置（１Ａ，１Ｂ）では、第１の態様において、制御回路（４Ａ，４Ｂ）は、半導体スイッチ（２Ｂ，２３，２４）を制御することで、半導体スイッチ（２Ｂ，２３，２４）がオフからオンになるタイミングを、メカニカルリレー（３）の接点部（３２）がオフからオンになるタイミングよりも早めるように構成されている。
【０１１０】
また、本発明の第３の態様に係るスイッチ装置（１）では、第１の態様において、制御回路（４）は、半導体スイッチ（２Ｂ）を制御することで、半導体スイッチ（２Ｂ）がオフからオンになるタイミングを、メカニカルリレー（３）の接点部（３２）がオフからオンになるタイミングよりも遅らせるように構成されている。
【０１１１】
また、本発明の第４の態様に係るスイッチ装置（１，１Ａ，１Ｂ）では、第１〜第３のいずれかの態様において、半導体リレー（２）は、１次側と２次側とを電気的に絶縁する絶縁部（２Ａ，２Ｃ，２１，２２）をさらに有する。
【０１１２】
また、本発明の第５の態様に係るスイッチ装置（１，１Ａ）では、第４の態様において、制御回路（４，４Ａ）は、１次側に設けられて、制御信号を遅延させ、遅延した制御信号を半導体リレー（２）に出力する遅延回路（５，５Ａ）を有する。
【０１１３】
また、本発明の第６の態様に係るスイッチ装置（１，１Ａ）では、第５の態様において、制御回路（４，４Ａ）は、遅延回路（５，５Ａ）を介して制御信号が入力され、制御信号の電圧が閾値電圧に達すると制御信号を出力するように構成されているバッファ回路（６）をさらに有する。
【０１１４】
また、本発明の第７の態様に係るスイッチ装置（１Ｂ）は、第４〜第６のいずれかの態様において、制御信号に応じて容量成分を充電及び放電する充放電経路（２５）をさらに備える。制御回路（４Ｂ）は、２次側に設けられて、充放電経路（２５）に電気的に接続されるインピーダンス回路（２６）を有する。インピーダンス回路（２６）は、インピーダンス素子（２６１）を有する。そして、インピーダンス回路（２６）は、制御信号のうちオン信号が入力されると充放電経路（２５）を第１経路（Ｓ１）に接続し、制御信号のうちオフ信号が入力されると充放電経路（２５）をインピーダンス素子（２６１）を含む第２経路（Ｓ２）に接続するように構成されている。
【０１１５】
また、本発明の第８の態様に係るスイッチ装置（１Ｂ）では、第７の態様において、インピーダンス素子（２６１）は、容量素子（キャパシタ（Ｃ１））を含む。
【０１１６】
また、本発明の第９の態様に係るスイッチ装置（１Ｂ）では、第７又は第８の態様において、絶縁部（２１，２２）は、制御信号を受けて発光する発光素子（２１）と、発光素子（２１）の発する光に応じて光起電力を発生する受光素子（２２）とを備える。
【０１１７】
スイッチ装置（１，１Ａ，１Ｂ）は、制御回路（４，４Ａ，４Ｂ）を備えることにより、半導体リレー（２）とメカニカルリレー（３）とに個別に制御信号を与えずとも、半導体リレー（２）とメカニカルリレー（３）との相互の開閉の時間差を設けることができる。したがって、本発明は、半導体リレー（２）及びメカニカルリレー（３）を組み合わせたハイブリッドリレーを、１つの制御信号で容易に制御することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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