(57)【要約】      （修正有）【課題】マイクロ電気機械スイッチ（ＭＥＭＳ）を基にした過電流モータ保護システムを提供する。【解決手段】過電流保護システム１０が、電流の変化率が所定の値を超えていることを示す電気変化率信号を出力するように構成および配置された電流検知部材２０と、電流検知部材２０に機能的に接続された少なくとも１つのマイクロ電気機械スイッチ（ＭＥＭＳ）装置３０と、電流検知部材２０と少なくとも１つのＭＥＭＳ装置３０とのそれぞれに電気的に結合されたコントローラ４０と、を含んでいる。コントローラ４０は、電気変化率信号に応答して少なくとも１つのＭＥＭＳ装置３０を開くように構成および配置されている。【選択図】図１
2013027303.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流の変化率が所定の値を超えていることを示す電気変化率信号を出力するように構成および配置された電流検知部材（２０）と、
前記電流検知部材（２０）に機能的に接続された少なくとも１つのマイクロ電気機械スイッチ（ＭＥＭＳ）装置（３０）と、
前記電流検知部材（２０）と前記少なくとも１つのＭＥＭＳ装置（３０）とのそれぞれに電気的に結合されたコントローラ（４０）であって、前記電流検知部材（２０）からの前記電気変化率信号に応答して前記少なくとも１つのＭＥＭＳ装置（３０）を開くように構成および配置されたコントローラ（４０）と、を含む過電流保護システム（１０）。
【請求項２】
前記少なくとも１つのＭＥＭＳ装置（３０）に密に結合されたダイオード・ブリッジ（５０）をさらに含む請求項１に記載の過電流保護システム（１０）。
【請求項３】
前記ダイオード・ブリッジ（５０）が、前記少なくとも１つのＭＥＭＳ装置（３０）に、浮遊インダクタンスが約１Ｖ以下に制限されたループ領域を通して結合される請求項２に記載の過電流保護システム（１０）。
【請求項４】
前記ダイオード・ブリッジ（５０）が、前記少なくとも１つのＭＥＭＳ装置（３０）に、浮遊インダクタンスが約１Ｖ未満に制限されたループ領域を通して結合される請求項２に記載の過電流保護システム（１０）。
【請求項５】
前記ダイオード・ブリッジ（５０）に電気的に結合されたパルス・アシスト・ターン・オン（ＰＡＴＯ）回路（９０）をさらに含む請求項２に記載の過電流保護システム（１０）。
【請求項６】
前記ダイオード・ブリッジ（５０）に電気的に結合されたハイブリッド・アークレス制限技術（ＨＡＬＴ）回路（９０）をさらに含む請求項２に記載の過電流保護システム（１０）。
【請求項７】
前記コントローラ（４０）は、少なくとも１つのマイクロ・コントローラ（１５１）と、演算増幅器（１４５）、整流器（１４７）、および比較器（１４９）のうちの少なくとも１つとを含み、前記マイクロ・コントローラ（１５１）は、前記少なくとも１つの演算増幅器（１４５）、整流器（１４７）、および比較器（１４９）に機能的に結合される請求項１に記載の過電流保護システム（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示する主題は、モータ制御の技術に関し、より詳細には、マイクロ電気機械スイッチ（ＭＥＭＳ）を基にした過電流モータ保護システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電動モータの多くはモータ・スタータに接続されている。モータ・スタータは、モータ動作を開始および停止させるためのメカニズムを与えるだけでなく、モータを過電流または短絡状態から保護する装置を含んでいる場合が多い。短絡電流によって、モータ巻線に対して損傷が生じる可能性がある。過電流損傷を防止するか少なくとも制限するために、多くのモータ・スタータでは、電流を検出し特定の電流振幅において反応する電流検知装置を用いている。電流検知装置は、電流が上昇して特定の電流振幅を超えたら、モータに対する電流を中断する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第７，３３２，８３５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし多くのモータは、始動時に、モータの公称上の定格電流よりも大きい初期の突入または始動電流を受ける。電流検知装置は、始動電流に付随する振幅ピークを無視してモータが始動できるようにすると同時に短絡保護を与えるようにデザインされている。その結果、既存のモータ・スタータの多くは、所定の時間（通常、ミリ秒で測定される）の間特定の振幅を超える電流をモニタしている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
典型的な実施形態の一態様によれば、過電流保護システムが、電流の変化率が所定の値を超えていることを示す電気変化率信号を出力するように構成および配置された電流検知部材と、電流検知部材に機能的に接続された少なくとも１つのマイクロ電気機械スイッチ（ＭＥＭＳ）装置と、電流検知部材および少なくとも１つのＭＥＭＳ装置のそれぞれに電気的に結合されたコントローラと、を含んでいる。コントローラは、電気変化率信号に応答して少なくとも１つのＭＥＭＳ装置を開くように構成および配置されている。
【０００６】
典型的な実施形態の別の態様によれば、モータ・コントローラ・システムが、電気回路に結合された電動モータと、電気回路内の電流の変化率が所定の値を超えていることを示す電気変化率信号を出力するように構成および配置された電流検知部材と、電気回路内に配置され、電流検知部材電動モータに機能的に接続された少なくとも１つのマイクロ電気機械スイッチ（ＭＥＭＳ）装置と、電流検知部材と少なくとも１つのＭＥＭＳ装置とのそれぞれに電気的に結合されたモータ・コントローラと、を含んでいる。モータ・コントローラは、電気変化率信号に応答して少なくとも１つのＭＥＭＳ装置を開くように構成および配置されている。
【０００７】
典型的な実施形態のさらに別の態様によれば、電気負荷を過電流状態から保護する方法が、パルス・アシスト・ターン・オン（ＰＡＴＯ）パルスをＰＡＴＯ回路を通して発して、電気回路を通して負荷に電気的に結合されたマイクロ電気機械スイッチ（ＭＥＭＳ）装置を閉じることと、電気回路を通って電気負荷へ向かう電流を検知することと、電気回路内の電流の変化率をモニタすることと、電流の変化率が所定の値を超えていることを決定することと、電流の変化率が所定の値を超えていることを検出したら、信号を発して、電気回路に電気的に接続されたＭＥＭＳ装置を開き、電流が電気負荷へ進むことを防止することと、を含んでいる。
【０００８】
これらおよび他の優位性および特徴は、以下の説明とともに図面から明らかとなる。
【０００９】
主題は、本発明とみなされるものであるが、明細書の終わりの請求項において詳細に指摘され明確に請求される。本発明の前述および他の特徴および優位性は、以下の詳細な説明とともに添付図面から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】典型的な実施形態による過電流保護システムを例示するブロック図である。
【図２】図１の過電流保護システムを例示する概略図である。
【図３】典型的な実施形態による電気負荷を過電流状態から保護する方法を例示するフロー・チャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
詳細な説明では、本発明の実施形態とともに優位性および特徴を、一例として図面を参照して説明する。
【００１２】
図１を参照して、典型的な実施形態によるモータ・コントローラ・システムを、大まかに２で示す。モータ・コントローラ・システム２は電動モータ４を含んでいる。電動モータ４は、電源６および過電流保護システム１０に、電気回路１３を通して電気的に結合されている。図示した典型的な実施形態では、過電流保護システム１０は、電気回路１３を通る電流の変化率（ｄｉ／ｄｔ）を検出する電流検知部材２０を含んでいる。典型的な実施形態の一態様によれば、電流検知部材２０は、ホール効果センサ２２という形態を取っている。しかし、当然のことながら、電流の変化率を検出することができる他のデバイスも用いることができる。以下でより十分に詳述するように、過電流保護システム１０はまた、図示するように、マイクロ電気機械スイッチ（ＭＥＭＳ）装置３０（少なくとも１つのスイッチ３４を有するＭＥＭＳダイ３３という形態を取っている）と、コントローラ４０とを含んでいる。
【００１３】
図２に最も良く示すように、ＭＥＭＳ装置３０は、複数のコーナー・ダイオード５５〜５８によって形成される平衡ダイオード・ブリッジ５０の中心点（別個に標示せず）にまたがって接続されている。典型的な実施形態によれば、ＭＥＭＳ装置３０は、コーナー・ダイオード５５〜５８に密に結合されている。用語「密に結合する」は、ＭＥＭＳ装置３０をコーナー・ダイオード５５〜５８に結合することを、ループ領域をできるだけ小さくしてループ領域に付随する浮遊インダクタンスによって形成される電圧が約１Ｖ以下に制限されるようにして行なうことを意味すると理解されたい。典型的な実施形態の一態様によれば、用語密に結合するは、ＭＥＭＳ装置３０をコーナー・ダイオード５５〜５８に結合することを、浮遊インダクタンスによって形成される電圧が約１Ｖ未満に制限されたループ領域を伴って行なうことを意味すると解釈しなければならない。ループ領域は、ＭＥＭＳ装置３０と平衡ダイオード・ブリッジ５０との間の領域として画定される。典型的な実施形態の一態様によれば、スイッチング事象の間にＭＥＭＳ装置３０に渡って生じる誘導電圧降下は、ＭＥＭＳダイ３３とコーナー・ダイオード５５〜５８との間のループ・インダクタンスを小さい値に維持することによって制御される。スイッチングの間にＭＥＭＳ装置３０に渡って生じる誘導電圧は、３つの因子によって決まる。浮遊インダクタンスのレベルを確立するループ領域の長さ、平行脚当たり約１Ａ〜約１０ＡのＭＥＭＳスイッチ電流、および約１μ秒のＭＥＭＳスイッチング時間。
【００１４】
さらにまた典型的な実施形態によれば、所望のループ領域は、たとえば、ＭＥＭＳ装置３０を回路基板（別個に標示せず）の一方の側面に取り付けて、コーナー・ダイオード５５〜５８を回路基板の別の側面（ＭＥＭＳ装置３０と正反対側）に取り付けることによって、実現することができる。別の例によれば、コーナー・ダイオード５５〜５８をＭＥＭＳダイ３３内に一体形成することができる。いずれにしても、ＭＥＭＳ装置３０とコーナー・ダイオード５５〜５８との詳細な配置は、ループ領域（引いては、インダクタンス）ができるだけ小さい値に維持される限り、変えることができることを理解されたい。また当然のことながら、ＭＥＭＳデバイスの数とともに特定のＭＥＭＳダイが保持するスイッチの数は、変えることができる。本発明の実施形態をコーナー・ダイオード５５〜５８を用いて説明しているが、当然のことながら、用語「コーナー」は、ダイオードの物理的場所に限定されず、むしろダイオードをＭＥＭＳダイ３３に対して配置することに向けられている。
【００１５】
前述したように、コーナー・ダイオード５５〜５８を平衡ダイオード・ブリッジ５０内に配置して、ＭＥＭＳ装置３０を通る負荷電流に対して低いインピーダンス経路が実現されるようになっている。こうして、コーナー・ダイオード５５〜５８を配置してインダクタンスが制限され、その結果、電圧の経時変化（すなわち、ＭＥＭＳ装置３０に渡る電圧スパイク）が制限される。図示した典型的な実施形態では、平衡ダイオード・ブリッジ５０は、第１の分岐６１と第２の分岐６２とを含んでいる。本明細書で用いる場合、用語「平衡ダイオード・ブリッジ」によって記述されるダイオード・ブリッジは、第１および第２の分岐６１および６１両方における電圧降下が実質的に等しくなることが、各分岐６１、６２における電流が実質的に等しいときに起こるように構成されているものである。第１の分岐６１では、ダイオード５５およびダイオード５６が互いに結合されて、第１の直列回路（別個に標示せず）を形成している。
【００１６】
同様に、第２の分岐６１はダイオード５７とダイオード５８とを含み、これらは機能的に互いに結合されて、第２の直列回路を形成している（やはり別個に標示せず）。また過電流保護システム１０は、図示するように、電圧緩衝器７０に接続されている。電圧緩衝器７０は、ＭＥＭＳ装置３０とともに電源６および電動モータ４に対して並列に接続されている。電圧緩衝器７０は、各ＭＥＭＳスイッチ３４の高速接点分離の間に生じる電圧オーバー・シュートを制限している。電圧緩衝器７０を金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）７４の形態で示している。ＭＯＶ７４は、図示するように、緩衝キャパシタ７６に結合されている。緩衝キャパシタ７６は、緩衝抵抗器７８と直列に接続されている。緩衝キャパシタ７６および緩衝抵抗器７８は、ＭＯＶ７４と並列に電気的に接続されている。
【００１７】
さらに典型的な実施形態によれば、過電流保護システムは、図示するように、単一のハイブリッド・アークレス制限技術（ＨＡＬＴ）／パルス作動ターン・オン（ＰＡＴＯ）回路９０を含んでいる。ＨＡＬＴ／ＰＡＴＯ回路９０は、第１の分岐９３（平衡ダイオード・ブリッジ５０の第１の分岐６１に電気的に接続される）と、第２の分岐９５（平衡ダイオード・ブリッジ５０の第２の分岐６２に電気的に接続される）とを含んでいる。ＨＡＬＴ／ＰＡＴＯ回路９０では、ＨＡＬＴ回路部分１０４およびＰＡＴＯ回路部分１０６が、第１および第２の分岐６１および６２の間に、共通のインダクタ１０８を通して電気的に接続されている。
【００１８】
ＨＡＬＴ回路部分１０４は、ＰＡＴＯ回路部分１０６と並列に接続されている。ＨＡＬＴ回路部分１０４は、スイッチング素子１１４の形態で示すＨＡＬＴスイッチ１１２を含んでいる。スイッチング素子１１４は、ＨＡＬＴキャパシタ１１５と直列に接続されている。ＰＡＴＯ回路部分１０６は、スイッチング素子１２２の形態で示すパルス・スイッチ１２０を含んでいる。パルス・スイッチ１２０は、パルスキャパシタ１２３とパルスダイオード１２４とに直列に接続されている。インダクタ１０８は、第１の分岐９３においてＨＡＬＴおよびＰＡＴＯ回路部分１０４および１０６と直列に接続されている。以下でより十分に明らかになるように、ＨＡＬＴスイッチ１１２を選択的に閉じてＭＥＭＳダイ３３を開き、パルス・スイッチ１２０を選択的に閉じてＭＥＭＳダイ３３を閉じる。すなわち、ＨＡＬＴスイッチ１１２を閉じてＨＡＬＴ回路部分１０４に電力を供給して、ＭＥＭＳ装置３０を開き、パルス・スイッチ１２０を閉じてＰＡＴＯ回路部分１０６に電力を供給して、ＭＥＭＳ装置３０を閉じる。ＭＥＭＳ装置３０が閉じると、電気回路１３が完結して、電流が電源６から電動モータ４へ流れることができる。逆に、ＭＥＭＳ装置３０が開くと、電源６と電動モータ４との間の電流の流れが中断される。
【００１９】
さらにまた典型的な実施形態によれば、コントローラ４０は、短絡検出部分１４０を含んでいる。短絡検出部分１４０は、モータ駆動部分１４２に電気的に結合されている。モータ駆動部分１４２から選択的にＰＡＴＯ回路部分１０６およびＨＡＬＴ回路部分１０４に信号を送ってＭＥＭＳ装置３０を閉開することを、モータ始動信号およびモータ停止信号に応答して行なう。加えて、モータ駆動部分１４２からＨＡＬＴ回路部分１０４に信号を送ってＭＥＭＳ装置３０を開くことを、短絡検出部分１４０から過電流状態が信号で伝えられた場合に行なう。短絡検出部分１４０は、演算増幅器（オペ・アンプ）１４５を含んでいる。演算増幅器（オペ・アンプ）１４５は、整流器１４７、比較器１４９、およびマイクロ・コントローラ１５１に電気的に結合されている。オペ・アンプ１４５は、電流検知部材２０からの入力を基にして変化率（ｄｉ／ｄｔ）信号を生成する。変化率信号は整流器１４７に送られる。整流器１４７は、変化率信号を単極の変化率信号に変換して、比較器１４９に送る。比較器１４９は、単極の変化率信号を所定の閾値と比較する。単極の変化率信号が所定の閾値を上回ったら、出力信号がモータ駆動部分１４２にマイクロ・コントローラ１５１を介して送られて、ＨＡＬＴ回路部分１０４を作動させてＭＥＭＳ装置３０を開き、電気回路１３内の電流の流れを遮断して、電動モータ４を過電流または短絡電流から保護する。
【００２０】
次に図３を参照して、電動モータ４を過電流または短絡状態から保護する方法２００について説明する。最初に、コントローラ４０がモータ始動信号／リクエストを受信する（ブロック２２０に示す）。始動信号を受信したら、モータ駆動部分１４２が、パルス・スイッチ１２０に信号を送って閉じさせ、またＰＡＴＯパルスをＰＡＴＯ回路部分１０６を通して送って、ＭＥＭＳ装置３０を閉じる（ブロック２２２に示す）。この時点で、短絡検出部分１４０が、電流の変化率のモニタリングを開始して（ブロック２２３）、短絡状態が存在するか否かを判定する（ブロック２２４）。検出された変化率が所定の閾値を超えていたら、モータ始動を中止して、パルス・スイッチ１２０に対する信号を中断し、信号をＨＡＬＴスイッチ１１２に送ってＭＥＭＳ装置３０を開く（ブロック２２６に示す）。もちろん、当然のことながら、モータ始動に対する所定の閾値を、走行状態に対する所定の閾値と違うものにして、モータ始動電流に付随するわずかな違いも考慮するようにしても良い。
【００２１】
始動時に短絡が検出されなかったら、第２のＰＡＴＯパルスを発して（ブロック２３０に示す）、ＭＥＭＳ装置３０をターン・オンするかまたは閉じて、電動モータを電源６に接続する（ブロック２３２に示す）。この時点で、短絡検出システム１４０は、電流の変化率をモニタして（ブロック２３４に示す）、始動後短絡状態が存在するか否かを判定する（ブロック２３６に示す）。ブロック２３６において短絡が検出されたら、ＨＡＬＴパルスをＨＡＬＴ回路１０４を通して送って、ＭＥＭＳ装置３０に信号を送り、ＭＥＭＳスイッチを開いてモータ動作を中止する（ブロック２４６に示す）。そうでなければ、電動モータ４は通常動作を続ける（ブロック２５０に示す）。
【００２２】
この時点で、典型的な実施形態によって、過電流状態をモニタして電気負荷たとえば電動モータを保護するシステムが提供されることを理解されたい。従来技術の配置では電流の振幅の変化をモニタしているのとは対照的に、典型的な実施形態では電流変化率をモニタする。このように、典型的な実施形態では、応答時間が速くなり、電動モータが短絡電流にさらされる危険性が減る。加えて、ＭＥＭＳ装置を用いて電流フローを中断することによって、ほぼ既存のシステムよりも速いオーダーの応答時間が得られる。より具体的には、ＭＥＭＳデバイスを用いることによって、回路反応時間が約１６μ秒以下に短くなる。
【００２３】
本発明を、限られた数の実施形態に関してのみ詳細に説明してきたが、本発明はこのような開示された実施形態には限定されないことが容易に理解されるはずである。むしろ、これまで説明してはいないが本発明の趣旨および範囲に見合う任意の数の変形、変更、置換、または均等な配置を取り入れるように、本発明を変更することができる。さらに加えて、本発明の種々の実施形態について説明してきたが、本発明の態様には、説明した実施形態の一部のみが含まれる場合があることを理解されたい。したがって本発明は、前述の説明によって限定されると考えるべきではなく、添付の請求項の範囲のみによって限定される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
2013027303.tif 000005
【外国語明細書】
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