(57)【要約】【課題】負荷のオンオフを行うスイッチに半導体スイッチ素子を使用し、この半導体スイッチ素子がオンの場合でもその両端から制御用の電力が取れるように工夫し、寿命の長い負荷に直列に接続されたスイッチから電源を得る方法及びこれを利用した非接触スイッチング回路を提供する。【解決手段】負荷１２に直列に接続する半導体スイッチ素子１３の通電時に、半導体スイッチ素子１３の通電位相を制御して、負荷１２の動作に支障のない範囲で短い非通電期間を設けて半導体スイッチ素子１３の両端に電圧を発生させ、この発生する電圧を整流し平滑化して直流電源とした。この電源によって、光センサー１１と半導体スイッチ素子１３のオンオフを行う制御部１４に電力を供給する非接触スイッチング回路１０を構成した。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷に直列に接続するスイッチに半導体スイッチ素子を用い、前記半導体スイッチ素子の通電時に、前記半導体スイッチ素子の通電位相を制御して、前記負荷の動作に支障のない範囲で短い非通電期間を設けて前記半導体スイッチ素子の両端に電圧を発生させ、この発生する電圧を整流し平滑化して直流電源とすることを特徴とする負荷に直列に接続されたスイッチから電源を得る方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法において、前記非通電期間は、電源交流の半サイクル毎に０を超え２５度以下の範囲内であることを特徴とする負荷に直列に接続されたスイッチから電源を得る方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載の方法において、前記半導体スイッチ素子の両端に発生する電圧を整流して直流電源とする回路には、定電圧又は定電流回路が設けられて、前記半導体スイッチ素子がオフ時であっても出力側に支障なく実質的に同一の直流電圧を出力することを特徴とする負荷に直列に接続されたスイッチから電源を得る方法。
【請求項４】
使用にあっては負荷に直列に接続される半導体スイッチ素子と、非接触式のセンサーと、該センサーからの信号によって該半導体スイッチ素子のオンオフを行う制御部と、前記センサー及び制御部に給電する電源部とを有する非接触スイッチング回路において、
前記電源部の入力側を前記半導体スイッチ素子の両端に接続し、しかも、前記制御部に、前記半導体スイッチ素子の通電時に該半導体スイッチ素子の通電位相を制御して、前記負荷に支障のない範囲で短い非通電期間を設けて前記半導体スイッチ素子の両端に電圧を発生させて、前記半導体スイッチ素子が通電時の前記電源部の電源としていることを特徴とする非接触スイッチング回路。
【請求項５】
請求項４記載の非接触スイッチング回路において、前記センサーに投光部と受光部を有する反射型の光センサーを用い、しかも、前記制御部に前記半導体スイッチ素子のオンオフを行うスイッチ信号回路の他に、前記受光部からの信号の短時間オンオフに対する一定時間の反転禁止回路を設けたことを特徴とする非接触スイッチング回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般の照明や換気扇等の電気機器（負荷）に、直列に接続されたスイッチに好適に適用可能な、負荷に直列に接続されたスイッチから電源を得る方法及びこれを利用した非接触スイッチング回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光センサーや超音波センサー等を用いた非接触スイッチは数多く提案され、これらを用いて電気機器をオンオフすることも一般に行われている。特に、特開２００２−１００２６８公報には、機器の近傍位置に進入した人体を検知する焦電型の赤外線センサーを用い、特定位置まで進入した人体を検知して、電気機器に直列に配置された接点型の開閉器のオンオフを行う非接触スイッチ装置が提案されている。
そして、この公報記載の技術においては、機器を駆動する電源は開閉器の両端から取っているので、開閉器をオフにした場合には、開閉器の両端に発生する電源電圧から電源を取ってこれを整流し、電池等に充電して、電気機器を通電状態からオフにする場合には、電池等に充電されている電源を用いて全体の制御を行うものと解される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記公報記載の非接触スイッチ装置においては、以下のような問題があった。
（１）電気機器が長時間オンになっている場合には、開閉器が常時オンとなっているので、その両端に電圧は発生せず、開閉器の両端に接続されている電源部に電力を供給することができない。ここで、電池に充電している電源を使用するとしても、焦電型の赤外線センサーは働いているので、時間の経過と共に電池がなくなり作動しなくなる。このため、開閉器をオフ（即ち、開）にするために、特別のオフ装置（例えば、手動操作やタイマー装置のオフ装置）が必要である。
（２）仮に、焦電型の赤外線センサーを含め制御装置全体の消費電力を極力抑えたとしても、開閉器が閉じた場合の電気を溜めておく電池には寿命があり、定期的に電池交換の必要があって手間である。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、負荷のオンオフを行うスイッチに半導体スイッチ素子を使用し、この半導体スイッチ素子がオンの場合でもその両端から制御用の電力が取れるように工夫し、寿命の長い負荷に直列に接続されたスイッチから電源を得る方法及びこれを利用した非接触スイッチング回路を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
前記目的に沿う第１の発明に係る負荷に直列に接続されたスイッチから電源を得る方法は、負荷に直列に接続するスイッチに半導体スイッチ素子を用い、前記半導体スイッチ素子の通電時に、前記半導体スイッチ素子の通電位相を制御して、前記負荷の動作に支障のない範囲で短い非通電期間を設けて前記半導体スイッチ素子の両端に電圧を発生させ、この発生する電圧を整流し平滑化して直流電源としている。ここで、負荷の動作に支障のない範囲とは、負荷にもよるが通常負荷にかかる電圧が、例えば電源電圧の９０％以上、より好ましくは９５％以上が確保される状態をいう。半導体スイッチ素子の種類にもよるが、トライアックやサイリスタ等のように、ゲートに信号電流を流す時期（即ち、通電位相）を電源位相より遅らせることによって達成できる。半導体スイッチ素子が逆並列に接続されたトランジスタ等のようにベース電流を流した場合のみ通電するタイプの半導体スイッチ素子の場合には電圧の高い時期に短時間の非通電期間を設けることによって、より安定した直流電源を得ることができる。
【０００５】
また、第２の発明に係る負荷に直列に接続されたスイッチから電源を得る方法は、第１の発明の方法において、前記非通電期間は、電源交流の半サイクル毎に０を超え２５度以下の範囲内である。これによって、負荷に支障のない範囲の電源を供給できる。
そして、第３の発明に係る負荷に直列に接続されたスイッチから電源を得る方法は、第１、第２の発明に係る方法において、前記半導体スイッチ素子の両端に発生する電圧を整流して直流電源とする回路には、定電圧又は定電流回路が設けられて、前記半導体スイッチ素子がオフ時であっても出力側に支障なく実質的に同一の直流電圧を出力している。これによって、半導体スイッチ素子のオンオフに関係なく直流電源を得ることができる。
【０００６】
また、第４の発明に係る非接触スイッチング回路は、使用にあっては負荷に直列に接続される半導体スイッチ素子と、非接触式のセンサーと、該センサーからの信号によって該半導体スイッチ素子のオンオフを行う制御部と、前記センサー及び制御部に給電する電源部とを有する非接触スイッチング回路において、前記電源部の入力側を前記半導体スイッチ素子の両端に接続し、しかも、前記制御部に、前記半導体スイッチ素子の通電時に該半導体スイッチ素子の通電位相を制御して、前記負荷に支障のない範囲で短い非通電期間を設けて前記半導体スイッチ素子の両端に電圧を発生させて、前記半導体スイッチ素子が通電時の前記電源部の電源としている。これによって、部品の故障がない限り、半導体スイッチ素子の動作に関係なく、オンオフ可能な非接触スイッチング回路を提供できる。
そして、第５の発明に係る非接触スイッチング回路は、第４の発明に係る非接触スイッチング回路において、前記センサーに投光部と受光部を有する反射型の光センサーを用い、しかも、前記制御部に前記半導体スイッチ素子のオンオフを行うスイッチ信号回路の他に、前記受光部からの信号の短時間オンオフに対する一定時間の反転禁止回路を設けている。これによって、光センサーの前に翳した手を動かした場合に発生する短時間のオンオフ信号によって、半導体スイッチ素子がオンオフするのを防止でき、非接触スイッチング回路の動作が安定する。
【０００７】
なお、スイッチがオンとなっている場合に、電源側から微小電力を得る他の方法として、回路に直列に小抵抗やリアクトルを入れその両端の電圧降下から電源を得る方法もあるが、小抵抗の場合には負荷を流れる電流が大きくなると、抵抗の発熱が増加するし、リアクトルの場合には機器が大型化する。また、これらのインピーダンス素子を回路に直列に入れた場合には、これらのインピーダンスが大きいと電圧降下が大きくなり、インピーダンスが小さいと小電流の場合目的の電圧が素子間に発生せず、機器の安定性が悪い。
【０００８】
【発明の実施の形態】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
ここに、図１は本発明の一実施の形態に係る非接触スイッチング回路の回路図、図２は同部分回路図、図３（Ａ）〜（Ｄ）及び図４（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ同非接触スイッチング回路の動作波形図、図５は同非接触スイッチング回路を適用した非接触スイッチ装置の正面図である。
【０００９】
図１〜図４を参照し本発明の一実施の形態に係る非接触スイッチング回路を説明しながら、本発明の一実施の形態に係る負荷に直列に接続されたスイッチから電源を得る方法について合わせて説明する。
図１に示すように、本発明の一実施の形態に係る非接触スイッチング回路１０は、所定位置にある手等の物体を検知する非接触式のセンサーの一例である反射型の光センサー１１と、光センサー１１からの信号を処理して負荷１２に直列に配置された半導体スイッチ素子の一例であるトライアック１３と、このトライアック１３にオン信号を送る制御部１４と、これらに電力を供給する電源部１５とを有している。制御部１４はトライアック１３にオンオフの信号を送るスイッチ信号回路１６と光センサー１１からの信号を処理してスイッチ信号回路１６に送る一定時間の反転禁止回路１７とを有している。以下、これらについて詳しく説明する。
【００１０】
光センサー１１は、図２に示すように、発振回路１９によって低周波のパルス信号を発生させ、負荷となる赤外線発光ダイオードからなる投光部２０をトランジスタ２１を介して点滅させている。この発振回路１９はオペアンプ２２を使用し、その発振波形は図３（Ａ）に示すように、２００μｓのパルスを５０ｍｓ周期で発生させている。このオンオフの時間はコンデンサ２３に接続される抵抗２４、２５の値によって決定される。これによって、投光部２０から赤外線のパルスが連続的に発光される。
投光部２０から赤外線の反射光を受ける受光部２６はこの実施の形態ではフォトダイオード（フォトトランジスタでもよい）が使用され、その信号はオペアンプ２７によって増幅される。この時のオペアンプ２７の出力波形を図３（Ｂ）に示すが、グラフの下側に存在する信号は外部光による。なお、図３（Ｂ）は途中まで反射光を受けているが、その後はパルス波形の反射光はなくなっている。
【００１１】
この信号を直流分カット用のコンデンサ２８及びダイオード２９を介して、コンデンサ３０に充電させる。このコンデンサ３０は比較的時間定数の長い抵抗３１が並列に接続されている。このコンデンサ３０の充電波形は図３（Ｃ）に示すが、パルスの受信がある毎に充電電圧が上昇し、パルスがなくなると主として抵抗３１を介する放電によって徐々に電圧が下がっている。このコンデンサ３０の電圧をＤラッチ回路３２（ＴＣ７４ＨＣ７４Ｐ／Ｆ、ＤＵＡＬ　Ｄ　ＦＬＩＰ　ＦＬＯＰ　ＷＩＴＨ　ＰＲＥＳＥＴ　ＡＮＤ　ＣＬＥＡＲ）のＤ端子に入力する。Ｄラッチ回路３２のＣＫ端子にはトランジスタ２１のコレクタ出力が入力されている。従って、トランジスタ２１のコレクタ電圧が上昇するときに、端子Ｄからの入力電圧がその回路の閾値（ＳＨ）を超えていると、出力端子Ｑにハイ出力（１）が生じ、反転出力端子Ｑ′にロー出力（０）が発生する。そして、この実施の形態では、その次のパルスが入力されるときには、端子Ｄへ入力されるコンデンサ３０の電圧が下がっているので、出力端子Ｑ及び反転出力端子Ｑ′の出力が反転し、結果として図３（Ｄ）に示すように周期５０ｍｓのパルスが発生する。このように、受光部２６からの信号で直ちに出力せず、連続する複数のパルスがあった時にＤラッチ回路３２から出力しているので、受光部２６が受ける雑音等を除くことができる。これによって、光センサー１１からの出力を安定してスイッチ信号回路１６に送ることができる。
【００１２】
この信号が、別のＤラッチ回路３３のＣＫ端子に入力される。このＤラッチ回路３３の端子Ｄには、通常は反転出力端子Ｑ′のハイ出力（１）が入力されているので、Ｄラッチ回路３３の出力端子Ｑはハイ出力（１）に変わる。これによって、負荷となる発光ダイオードからなる表示灯３４及びフォトカプラー４０の発光ダイオード３５が点灯し、スイッチ信号回路１６に信号を送る。これによって、反転出力端子Ｑ′はロー出力（０）に変わるので、コンデンサ３６に溜まっていた電荷が抵抗３７を通じて徐々に放電し、端子Ｄの電圧が徐々に下がる。この間（約０．５〜１秒）に端子ＣＫに光センサー１１からの次のパルスが来ても、それには応答せず、出力端子Ｑはハイ出力（１）を維持し続けることになる。
コンデンサ３６の電圧が端子Ｄの閾値より下がると、端子Ｄの立ち上がり信号によって、端子Ｄのロー入力（０）を読み取り、出力端子Ｑの出力が反転してロー出力（０）になり反転出力端子Ｑ′にハイ出力（１）が出力される。これによって、スイッチ信号回路１６に送る信号が０になる。
【００１３】
この状態では、次に反転出力端子Ｑ′のハイ出力（１）によって、抵抗３７を通ってコンデンサ３６に徐々に電荷を蓄積する。これによって、コンデンサ３６の電圧が上昇し、次の光センサー１１の信号によって、端子Ｄのハイ入力（１）を読み取り、出力端子Ｑが１になる。これによって、光センサー１１の速い信号（即ち、０．５〜１秒より短い信号のオンオフによるスイッチ信号回路１６のオンオフを防止することができ、実際のスイッチオンオフの使用感に一致させてこの非接触スイッチング回路１０を使用することができる。なお、Ｄラッチ回路３３の反転禁止の時間はコンデンサ３６及び抵抗３７を調整することによって行える。なお、このＤラッチ回路３３、コンデンサ３６及び抵抗３７を有して一定時間の反転禁止回路１７が形成されている。抵抗３８、３９はそれぞれ表示灯３４及び発光ダイオード３５の電流制限抵抗である。
【００１４】
フォトカプラー４０を構成する発光ダイオード３５が発光すると、これと対となるフォトトライアック４１が通電するが、この実施の形態においては、フォトトライアック４１にゼロクロス型の素子を使用している。このゼロクロス型のフォトトライアックは発光ダイオード３５より光信号があった状態で電源電圧が０を横切った時点で導通する素子であり、これによって、スイッチ信号回路１６と電源信号との同期を図っている。
【００１５】
このフォトトライアック４１がオンになると、トライアック１３に接続される交流電源が抵抗４２及びコンデンサ４３を通じて流れ、コンデンサ４３の電位が上昇する。コンデンサ４３の充電端子はダイアック４４を通じてトライアック１３のゲートに接続されている。ダイアック４４は所定の電圧を超えると導通する双方向素子であるので、結局はコンデンサ４３の電圧が一定値以上になった場合には、トライアック１３がオンとなる。この場合のトライアック１３の通電開始位相は、交流１８０度の半波（半サイクル）に対して０を超え２５度以下（好ましくは５〜２０度、更に好ましくは８〜１６度）の範囲であるのが好ましい。これによって、トライアック１３に短い非通電期間を発生させ、電源電圧の約９５％以上の電圧が負荷にかかり、負荷が支障なく動作する。なお、トライアック１３には異常電圧を吸収する抵抗４５及びコンデンサ４６が並列に接続され、更には直列抵抗４７付きのネオン管４８が接続されている。ネオン管４８はトライアック１３がオフの場合に点灯する。
【００１６】
この様子を図４に示すが、発光ダイオード３５から図４（Ａ）に示すように信号があった場合、図４（Ｂ）のトライアック１３の両端の電圧に示すように、トライアック１３が遅れて通電している。なお、この実施の形態においては、フォトトカプラー４０の素子としてフォトトライアック４１を使用しているが、通常のトライアックであっも使用不可能ではない。この場合は、トライアック１３の通電はその次以降の通電時期とは一致しない。この場合、トライアック１３を流れる電流の変化が大きくなり、多少の雑音を発生し、回路の誤動作等を考慮すると、フォトトライアック４１を使用するのがより好ましい。
【００１７】
次に、電源部１５について、図１及び図４を参照しながら説明する。
電源部１５はトライアック１３の両端に接続されている。トライアック１３の両端には前述のように、図４（Ｂ）に示すような電圧がかかる。電源部１５はダイオードの組み合わせからなるブリッジ回路４９とトランジスタ５０を備えた周知の定電圧回路によって構成されている。
即ち、ブリッジ回路４９によって整流されて直流となり、コンデンサ５１（容量０．６８〜２０μＦ）に電荷が溜まり、次にトランジスタ５０によって必要な電圧に変換される。トランジスタ５０のベースには定電圧ダイオード５２が接続されていると共に、定電流ダイオード（定電流回路の一例）５３、抵抗５４を介してブリッジ回路４９及びコンデンサ５１からの電流が供給され、出力側に約４Ｖの直流電圧を発生させている。なお、コンデンサ５１及びコンデンサ５５が平滑用のコンデンサとなる。
トライアック１３がオフの場合には、電源部１５に供給される電圧は大きいので十分な電力を電源部１５に供給できるが、トライアック１３がオンの場合には図４（Ｂ）に示すように、小電圧がかかる。この場合であっても、図４（Ｃ）に示すように、コンデンサ５１にそのピーク電圧に近い電圧で電荷が充電され、更には、出力側に設けられている比較的容量の大きいコンデンサ５５に電荷が溜まるので、これらから供給できる。なお、光センサー１１、一定時間の反転禁止回路１７が使用する電流は、出力電圧４Ｖであっても５ｍＡ以下であり、トライアック１３がオンの場合であっても十分に供給できる。
【００１８】
図５は以上の非接触スイッチング回路１０を通常の手動型のスイッチ装置に代わる装置として収納ケース５６に組み込んだ場合の非接触スイッチ装置１０ａを示している。非接触スイッチ装置１０ａの収納ケース５６は従来の手動タイプのスイッチ装置と同一の外形寸法となって、その正面側にはプラスチック製の化粧板５７を有している。化粧板５７の中央に設けられた角窓に赤外線は通過するが可視光線は通過させない矩形のアクリル樹脂製の可視光カットフィルタ板５８が設けられている。可視光カットフィルタ板５８の裏面側には投光部２０と受光部２６が設けられ、投光部２０から赤外線を発し、この可視光カットフィルタ板５８の正面側に翳した手等の反射光を受光部２６が受信して、非接触スイッチング回路１０が作動するようになっている。
可視光カットフィルタ板５８の上側には表示灯３４を露出させる窓５９が、下側にはネオン管４８を露出させる窓６０が設けられている。収納ケース５６の裏面側にはボックス本体６１を有し、非接触スイッチング回路１０及びトライアック１３を組み込んだプリント基板が配置されている。ボックス本体６１の側部に接続端子６２、６３が設けられ、オンオフをする負荷に接続された電源ラインが、接続できるようになっている。
【００１９】
従って、この非接触スイッチング回路１０を組み込んだ非接触スイッチ装置１０ａは、新設の場合は当然として、従来のスイッチ装置に代用することができる。使用にあっては、この非接触スイッチ装置１０ａの正面側、即ち、投光部２０及び受光部２６の光軸方向（光軸交叉部の近辺）に手等を翳すと、投光部２０からの赤外線パルスが手に反射して受光部２６に入射し、トライアック１３がオンになる。この場合、一定時間の反転禁止回路１７が設けられているので、手を動かして反射光に攪乱を与えても、長時間（０．５〜１秒以上）の反射光の断絶がない限りは、トライアック１３はオンの状態を継続する。
次に、一旦、非接触スイッチ装置１０ａの正面側に翳した手を解除し、再度非接触スイッチ装置１０ａの正面側に手を翳すと、光センサー１１及びスイッチ信号回路１６が作動し、トライアック１３がオフになる。以下、この動作を繰り返すことになる。
【００２０】
この非接触スイッチ装置１０ａは、非接触でスイッチのオンオフが可能であるので、例えば、トイレの照明灯のオンオフに使用すると、用便前後に手をスイッチ装置に触れなくても照明灯のオンオフができ衛生的である。
更には、食品工場、科学バイオ工場、精密機械工場、半導体工場、薬品工場、醸造工場、ホテルやレストラン等の機器や照明のオンオフに適用することができ、完全クリーンな環境を提供できる。
更に、手足の不自由な身障者や病人等が照明やその他の機器のスイッチをオンオフする場合でも好適に使用できる。
【００２１】
本発明は前記した実施の形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を変更しない範囲での変形例にも適用可能であり、例えば、上記実施の形態においては、半導体スイッチ素子としてトライアックを使用したが、逆並列に接続したサイリスタやトランジスタ等の素子であっても適用可能である。
また、光センサーの代わりに超音波センサーや静電気によるセンサーを使用することもできる。
【００２２】
【発明の効果】
請求項１〜３記載の負荷に直列に接続されたスイッチから電源を得る方法及びこの方法を用いた請求項４及び５記載の非接触スイッチング回路は、半導体スイッチ素子の通電時に、半導体スイッチ素子の通電位相を制御して、負荷の動作に支障のない範囲で短い非通電期間を設けて半導体スイッチ素子の両端に電圧を発生させ、この発生する電圧を整流し平滑化して直流電源としているので、特別な電源線や電池等を必要としないで、負荷に直列なスイッチ（半導体スイッチ素子）がオンの場合であっても、電力を得ることができる。これによって、長時間、負荷をオンにする状態が続いても、確実にスイッチのオフを非接触で行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る非接触スイッチング回路の回路図である。
【図２】同部分回路図である。
【図３】（Ａ）〜（Ｄ）はそれぞれ同非接触スイッチング回路の動作波形図である。
【図４】（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ同非接触スイッチの動作波形図である。
【図５】同非接触スイッチング回路を適用した非接触スイッチ装置の正面図である。
【符号の説明】
１０：非接触スイッチング回路、１０ａ：非接触スイッチ装置、１１：光センサー、１２：負荷、１３：トライアック、１４：制御部、１５：電源部、１６：スイッチ信号回路、１７：一定時間の反転禁止回路、１９：発振回路、２０：投光部、２１：トランジスタ、２２：オペアンプ、２３：コンデンサ、２４、２５：抵抗、２６：受光部、２７：オペアンプ、２８：コンデンサ、２９：ダイオード、３０：コンデンサ、３１：抵抗、３２、３３：Ｄラッチ回路、３４：表示灯、３５：発光ダイオード、３６：コンデンサ、３７〜３９：抵抗、４０：フォトカプラー、４１：フォトトライアック、４２：抵抗、４３：コンデンサ、４４：ダイアック、４５：抵抗、４６：コンデンサ、４７：直列抵抗、４８：ネオン管、４９：ブリッジ回路、５０：トランジスタ、５１：コンデンサ、５２：定電圧ダイオード、５３：定電流ダイオード、５４：抵抗、５５：コンデンサ、５６：収納ケース、５７：化粧板、５８：可視光カットフィルタ板、５９、６０：窓、６１：ボックス本体、６２、６３：接続端子
【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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