(57)【要約】【課題】従来例に比較して低い製造価格にて、１次側と２次側との電圧を同様とし、１側から２次側への突入電流を抑制するリレー接点保護回路を提供する。【解決手段】本発明のリレー接点保護回路は、負荷に対して電流を供給するリレーの接点間の電圧差を、リレーを駆動する前にプリチャージして低下させ、接点間に流れる貫通電流を減少させることにより、接点を保護するリレー接点保護回路であり、負荷に対して並列に接続されているコンデンサと、電源の電源電圧を昇圧した電圧により、コンデンサに対して２次充電を行う第１の半導体スイッチと、コンデンサに充電される電圧を測定し、測定電圧を出力する電圧測定部と、測定電圧が予め設定した一次充電電圧となると、第１の半導体スイッチをオンして二次充電を行わせるプリチャージ制御部とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷に対して電流を供給するリレーの接点間の電圧差を、該リレーを駆動する前にプリチャージして低下させ、前記接点間に流れる貫通電流を減少させることにより、該接点を保護するリレー接点保護回路であり、
前記負荷に対して並列に接続されているコンデンサと、
電源の電源電圧を昇圧した電圧により、前記コンデンサに対して２次充電を行う第１の半導体スイッチと、
前記コンデンサに充電される電圧を測定し、測定電圧を出力する電圧測定部と、
前記測定電圧が予め設定した一次充電電圧となると、前記第１の半導体スイッチをオンして二次充電を行わせるプリチャージ制御部と
を有することを特徴とするリレー接点保護回路。
【請求項２】
前記コンデンサに対し、整流素子を介して、リレーに印加する前記電源から一次充電を行う第２の半導体スイッチをさらに有し、 
前記測定電圧が予め設定した一次充電電圧となると、前記第２の半導体スイッチをオフすることを特徴とする請求項１に記載のリレー接点保護回路。
【請求項３】
前記プリチャージ制御部が、前記測定電圧がリレーに印加する電源の電圧値となると、前記第１の半導体スイッチをオフすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のリレー接点保護回路。
【請求項４】
前記プリチャージ制御部が、測定電圧が前記リレーに印加する電圧値となり、前記リレーにオン状態となる信号が入力されてから、リレーの接点が実際にオンする時間分遅延させて、前記第１の半導体スイッチをオフし、プリチャージを終了することを特徴とする請求項２または請求項３に記載のリレー接点保護回路。
【請求項５】
前記第１の半導体スイッチの出力端子とコンデンサとの間に電流制限抵抗が介挿されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載のリレー接点保護回路。
【請求項６】
前記プリチャージ制御部が、前記第１の半導体スイッチをオン状態とする場合、前記測定電圧と前記リレーの接点に印加する電源の電圧値との差電圧に対応してＰＷＭ制御を行うことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載のリレー接点保護回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気式リレーのオンオフ時に発生するスパーク等を防止して接点保護を行うリレー接点保護回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気式リレーは、１次側（電源供給側）の電圧と２次側（電源被供給側）の電圧との電圧差が大きく、２次側に電荷を蓄積する素子（例えばコンデンサ）等が接続されている場合、１次側から２次側に対して突入電流が流れ、スパークなどにより火花が発生することにより、接点の溶着（永久的な接触）や接点不良となる問題があった。
このため、２次側に流れる接点電流を低減するため、２次側をプリチャージして、電荷を蓄積する素子の電圧を１次側の電圧に近づけた後にオン状態とすることにより、突入電流を削減することが行われている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
しかしながら、特許文献１に記載されているプリチャージ回路においては、例えば、図３に示すプリチャージ回路１００のように、スイッチ１３をオンすることにより、抵抗１４を介して、コンデンサＣ１及びＣ２をプリチャージする場合、バッテリＢ１から出力される電源電圧に重畳される負のサージ電圧からプリチャージ回路を守るために、ダイオード１２が設けられており、このダイオード１２の順方向電圧ΔＶだけ、プリチャージ結果として１次側より２次側（点Ｐ）の電圧が低下してしまう。
そのため、スイッチ１３をオン状態として、コンデンサＣ１及びＣ２をプリチャージしたとしても、ダイオード１２の順方向電圧ΔＶだけ低い電圧までしか充電できないため、完全にコンデンサＣ１及びＣ２に対する突入電流を削減することができない。このため、プリチャージ回路のダイオード１２に対応させて、リレー２の接点側に直列にダイオードを設けて順方向電圧ΔＶだけ低下させることで、プリチャージした電圧と、リレー２をオン状態として供給される電圧とを等しくする構成が用いられている（例えば、特許文献２参照）
【特許文献１】特開２００７−１９２９３号公報
【特許文献２】特開２００３−１４３７０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献２に示す保護方法にあっては、プリチャージ回路にてチャージした電圧と、リレー２をオン状態として供給する電圧とを同様とし、コンデンサＣ１及びＣ２に充電するために流れる突入電流を減少させることは抑制することができるが、負荷３１に供給する電流容量が増加するに従い、リレー２と直列に接続させて順方向電圧ΔＶだけ低下させるためのダイオードの電流容量を増加させる必要があり、このダイオードが非常に高価な部品となり、保護回路の製造価格が上昇してしまう。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、従来例に比較して低い製造価格にて、１次側と２次側との電圧を同様とし、１次側から２次側への突入電流を抑制するリレー接点保護回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のリレー接点保護回路は、負荷に対して電流を供給するリレーの接点間の電圧差を、該リレーを駆動する前にプリチャージして低下させ、前記接点間に流れる貫通電流を減少させることにより、該接点を保護するリレー接点保護回路であり、前記負荷に対して並列に接続されているコンデンサと、電源の電源電圧を昇圧した電圧により、前記コンデンサに対して２次充電を行う第１の半導体スイッチと、前記コンデンサに充電される電圧を測定し、測定電圧を出力する電圧測定部と、前記測定電圧が予め設定した一次充電電圧となると、前記第１の半導体スイッチをオンして二次充電を行わせるプリチャージ制御部とを有することを特徴とする。
【０００７】
本発明のリレー接点保護回路は、前記コンデンサに対し、整流素子を介して、リレーに印加する前記電源から一次充電を行う第２の半導体スイッチをさらに有し、 
前記測定電圧が予め設定した一次充電電圧となると、前記第２の半導体スイッチをオフすることを特徴とする。
【０００８】
本発明のリレー接点保護回路は、前記プリチャージ制御部が、前記測定電圧がリレーに印加する電源の電圧値となると、前記第１の半導体スイッチをオフすることを特徴とする。
【０００９】
本発明のリレー接点保護回路は、前記プリチャージ制御部が、測定電圧が前記リレーに印加する電圧値となり、前記リレーにオン状態となる信号が入力されてから、リレーの接点が実際にオンする時間分遅延させて、前記第１の半導体スイッチをオフし、プリチャージを終了することを特徴とする。
【００１０】
本発明のリレー接点保護回路は、前記第１の半導体スイッチの出力端子とコンデンサとの間に電流制限抵抗が介挿されていることを特徴とする。
本発明のリレー接点保護回路は、前記プリチャージ制御部が、前記第１の半導体スイッチをオン状態とする場合、前記測定電圧と前記リレーの接点に印加する電源の電圧値との差電圧に対応してＰＷＭ制御を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
以上説明したように、本発明によれば、ダイオードを介した１段階目のプリチャージと、上記ダイオードの順方向電圧分を昇圧回路にて電圧を上昇させる２段階目のプリチャージとにより、２次側をプリチャージするため、２次側（被供給側）の電圧を１次側（供給側）の電圧と同様の値とし、かつ１段階目にてダイオードの順方向電圧分だけ低い電圧まで高速にコンデンサに電荷を充電させることにより上昇させ、２段階目にて２次側の電圧に合わせ込むため、従来例と同様な速度にて、かつ２次側の電圧を１次側の電圧に合わせることが可能となり、リレーがオン状態となった際に、負荷（特にコンデンサ）に流れる突入電流を従来に比較して低下させることができ、かつ高価な部品（例えば、大容量の整流素子：ダイオード）を使用しないため、コストを上昇させずに構成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の第１の実施形態によるリレー接点保護回路を図面を参照して説明する。図１は同実施形態によるリレー接点保護回路の構成例を示すブロック図である。
この図において、リレー接点保護回路は、ダイオード１２及び２２、スイッチ１３（第２のスイッチに該当する）、抵抗１４及び１６、制御部１７、スイッチ１９（第１のスイッチに該当する）、チャージポンプ回路２０、電圧検出回路２１とから構成されている。また、図１におけるスイッチ１１は、一端が電源（直流電源、以下、バッテリ）Ｂ１の＋側に接続されており、例えば、車を駆動する場合、イグニッションスイッチが入れられると、連動してオン状態となる。
【００１３】
制御部１７は、ダイオード２２（負のサージから制御部１７の内部回路を保護する）を介して、バッテリＢ１から駆動のための電源が供給され、スイッチ１１がオンすると、１段階目のプリチャージを開始する（詳細は動作の説明にて詳述）。
【００１４】
ダイオード１２は、アノードが上記スイッチ１１の他端に接続されており、カソードがスイッチ１３の入力側に接続されており、バッテリＢ１の出力電圧に重畳される負電圧のサージの影響を抑制、すなわちスイッチ１３内の回路保護のために設けられている。
スイッチ１３は、制御端子が上記制御部１７に接続され、入力側がダイオード１２のカソードに接続され、出力側が抵抗１４の一端に接続され、オン状態において第１段階のプリチャージを行い、接続点Ｐの電圧をバッテリＢ１の電圧値ＶＢに対してダイオード１２の電圧降下分ΔＶだけ低い電圧値まで上昇させる（図２参照）。抵抗１４の他端は、接続点Ｐに接続されている。
【００１５】
スイッチ１９は、入力側がチャージポンプ回路２０に接続され、出力側が抵抗１６を介して抵抗１４の一端に接続され、制御端子が制御部１７に接続され、この制御端子に制御部１７からオン／オフを制御する制御信号Ｓ３が入力され、オン状態においてチャージポンプ回路２０の昇圧電圧により第２段階のプリチャージを行い、接続点Ｐの電圧をバッテリＢ１の電圧値ＶＢと同様の電圧値まで上昇させる。
電圧検出回路２１は、接続点Ｐの電圧値を検出し、検出値を制御部１７へ出力する。
【００１６】
また、上記リレー接点保護回路１にて接点が保護されるリレー２を用いた回路は以下の構成となっている。
リレー２は、電磁リレーであり、負荷３１を駆動させる電力を供給する駆動回路（後述するトランジスタ３２〜３５）及びコンデンサＣ１，Ｃ２と、バッテリＢ１とを接続する接点Ｇと、接点Ｇを開閉するコイルＬとから構成されている。
また、上記コイルＬは、一端がダイオード２２のカソード側に接続され、他端が制御部１７に接続されて、制御信号Ｓ５により駆動及び非駆動され、接点Ｇの開閉を行い、電源ＰＶＢと負荷３１とを駆動回路を介して接続状態あるいは非接続状態とする。
【００１７】
コンデンサＣ１及びＣ２は、負荷３１を駆動する駆動回路（トランジスタ３２〜３５）と並列に接続されており、負荷を駆動する際に流れる突入電流により、接続点Ｐの電圧が急激に変化しないように、電荷を蓄積して電気エネルギを蓄えるために設けられている。
チャージポンプ回路２０は、制御信号Ｓ４により駆動状態とされると、バッテリＢ１の電圧ＶＢを昇圧させ、昇圧電圧Ｖｐとして出力する。
【００１８】
上記負荷３１としては、例えば、直流モータ等がある。
この直流モータを駆動するモータ駆動回路は、負荷である直流モータを駆動するため、Ｎチャネル型ＭＯＳトランジスタ（以下、ＭＯＳトランジスタ）３２、３３、３４、３５から構成されている。
ここで、ＭＯＳトランジスタ３２は、ドレインが接続点Ｐに接続されており、ゲートに制御部１７からの制御信号ＳＭ２が入力され、ソースがＭＯＳトランジスタ３３のドレインに接続されている。
【００１９】
ＭＯＳトランジスタ３３は、ゲートに制御部１７からの制御信号ＳＭ３が入力され、ソースが接地されている。
ＭＯＳトランジスタ３４は、ドレインが接続点Ｐに接続されており、ゲートに制御部１７からの制御信号ＳＭ４が入力され、ソースがＭＯＳトランジスタ３５のドレインに接続されている。
ＭＯＳトランジスタ３５は、ゲートに制御部１７からの制御信号ＳＭ５が入力され、ソースが接地されている。
【００２０】
制御部１７は、上記制御信号ＳＭ２〜ＳＭ５それぞれを「Ｈ」レベル、「Ｌ」レベルとすることにより、トランジスタ３２〜３５各々をオンオフ制御し、モータの回転を制御する。例えば、制御信号ＳＭ２及びＳＭ５を「Ｈ」レベルとし、ＭＯＳトランジスタ３２及び３５をオン状態とし、一方、制御信号ＳＭ３及びＳＭ４を「Ｌ」レベルとし、ＭＯＳトランジスタ３３及び３４をオフ状態として、Ｒ方向に電流を流して直流モータ３１を回転させる。
また、上述した制御における回転方向に対して逆方向に回転させる場合、制御信号ＳＭ３及びＳＭ４を「Ｈ」レベルとし、ＭＯＳトランジスタ３３及び３４をオン状態とし、一方、制御信号ＳＭ２びＳＭ５を「Ｌ」レベルとし、ＭＯＳトランジスタ３２及び３５をオフ状態として、Ｑ方向に電流を流して直流モータ３１を回転させる。
【００２１】
次に、図１及び図３を用い、本実施形態によるリレー接点保護回路１の動作を説明する。図３は、リレー接点保護回路１の動作例を説明する波形図であり、縦軸が接続点Ｐの電圧（ＶＣ）を示し、横軸が時刻ｔを示している。以下の動作説明は、スイッチ１１がオン状態となり、リレー接点保護回路１が駆動を開始した時点から行う。
時刻ｔ１において、スイッチ１１がオン状態となって一定時間後に、制御部１７は、接続点Ｐのプリチャージ動作を行うため、制御信号Ｓ２を出力してスイッチ１３をオン状態とする。
【００２２】
これにより、第１段階のプリチャージ動作が開始され、スイッチ１３がオン状態となることにより、ダイオード１２及び抵抗１４を介して接続点Ｐに対する電流が流れ、コンデンサＣ１及びＣ２に対して電荷が蓄積されることで充電され、接続点Ｐの電位が徐々に上昇することとなる。
また、第１段階のプリチャージ動作を開始すると、制御部１７は、電圧検出回路２１から入力される検出電圧ＶCが予め設定している閾値電圧Ｖt1を超えているか否かを所定の周期にて検出する処理を開始する。この閾値電圧Ｖt1は、バッテリＢ１の電圧ＶＢからダイオード１２の順方向電圧ΔＶを減算した値に設定されている。
【００２３】
そして、時刻ｔ２において、制御部１７は、電圧検出回路２１から入力される検出電圧ＶCが予め設定している閾値電圧Ｖt1を超えていることを検出すると、第２段階のプリチャージ動作を開始するため、駆動状態を指示する制御信号Ｓ３をスイッチ１９へ出力し、スイッチ１９を駆動させ、昇圧電圧Ｖｐを抵抗１６を介して抵抗１４の一端に印加する。また、チャージポンプ回路２０は、リレー接点保護回路１が駆動を開始した時点において、制御信号Ｓ４により駆動状態とされ、昇圧電圧Ｖｐが出力された状態となっている。
そして、制御部１７は、スイッチ１９に駆動を指示する制御信号Ｓ４を出力してから、スイッチ１９がオン状態となり、抵抗１４の一端に昇圧電圧Ｖｐが印加される時間が予め測定され、測定値が設定されており、スイッチ１９に制御信号Ｓ４を出力してから、カウンタにより時間をカウントして、上記時間が経過した後、スイッチ１３をオフ状態とする制御信号Ｓ２を出力する。
そして、スイッチ１３がオフ状態となり、スイッチ１９がオン状態となることにより、第１段階のプリチャージ動作が終了し、第２段階のプリチャージ動作が開始される。
【００２４】
ここで、上述したように、スイッチ１９をオン状態となり、昇圧電圧Ｖｐを抵抗１６及び抵抗１４を介して接続点Ｐへ供給する。ここで、抵抗１６はチャージポンプ回路２０から接続点Ｐに流れる電流を制限するために設けられている。すなわち、急激に接続点Ｐの電位が上昇すると、電圧制御ができず、２次側の電圧が１次側より高くなってしまうため、電圧制御を接続点Ｐの電圧変化に追従させて、接続点Ｐの電位の制御性を良くするために抵抗１６による電流制限を行っている。
【００２５】
この第２段階のプリチャージ動作を開始すると、制御部１７は、電圧検出回路２１から入力される検出電圧ＶCが予め設定している閾値電圧Ｖt2を超えているか否かを所定の周期にて検出する処理を開始する。ここで、閾値電圧Ｖt2は、バッテリＢ１の電圧ＶＢ（すなわち、電源ＰＶＢの電圧）に設定されている。
【００２６】
そして、時刻ｔ３において、制御部１７は、電圧検出回路２１から入力される検出電圧ＶCが予め設定している閾値電圧Ｖt2を超えていることを検出すると、コイルＬに電流を流し、接点Ｇを開放状態（開）から接続状態（閉）とするようリレー２を駆動させ、電源ＰＶＢと接続点Ｐとを接続させ、負荷３１に対する駆動電流をバッテリＢ１から供給する。
このとき、１次側であるバッテリＢ１の電圧ＶＢと、２次側である接続点Ｐとの電圧差がないため、突入電流が流れずにスパークなどが発生せずに、リレー２の接点Ｇの劣化を抑制する。
【００２７】
このとき、制御部１７は、制御信号Ｓ５をコイルＬを駆動する状態とし、コイルＬに電流を流してから、接点Ｇが接続状態となり、バッテリＢ１の＋側が点Ｐに印加される時間が予め測定され、この測定値が設定されており、コイルＬに制御信号Ｓ５を出力してから、カウンタにより時間をカウントして、上記測定値の時間が経過した後、スイッチ１９をオフ状態とする制御信号Ｓ２を出力する。
そして、制御部１７は、チャージポンプ回路２０を非駆動とする制御信号Ｓ４を出力し、チャージポンプ回路２０の動作を停止させる。上述した処理により、第２段階のプリチャージ動作が終了し、接続点Ｐに対するプリチャージ動作が終了する。
上述した閾値電圧Ｖt1及びＶt2は、すでに説明したように、制御部１７内の記憶部に予め記憶されている。
【００２８】
また、上述したリレー接点保護回路１において、スイッチ１９にＰＮＰ型バイポーラトランジスタを用い、オンオフさせる制御信号Ｓ３の電位を調整してベースに流れる電流値を制御することで、チャージポンプ回路２０から接続点Ｐに流れる電流を調整するようにし、抵抗１６を設けずに、バイポーラトランジスタのコレクタとチャージポンプ回路２０の出力とを接続し、コレクタとスイッチ１３の出力側とを直接に接続する構成としても良い。
また、スイッチ１９にＰＮＰ型バイポーラトランジスタを用い、制御信号Ｓ３をパルス形状とし、ＰＷＭ制御することにより、ベースに流れる電流値を制御することで、チャージポンプ回路２０から接続点Ｐに流れる電流を調整するようにし、抵抗１６を設けずに、バイポーラトランジスタのエミッタとチャージポンプ回路２０の出力とを接続し、コレクタとスイッチ１３の出力側とを直接に接続する構成としても良い。また、スイッチ１３にＰＮＰ型バイポーラトランジスタを用い、エミッタとダイオード１２のカソードとを接続し、コレクタを抵抗１４の一端に接続するよう構成しても良い。
また、他の回路にチャージポンプ回路が設けられている場合、そのチャージポンプ回路から昇圧電圧を入力し、スイッチ１９によりその昇圧電圧を接続点Ｐに供給するか否かの制御を行う構成としても良い。
【００２９】
上述したように、本実施形態によるリレー接点保護回路１は、プリチャージする接続点Ｐの電圧を、第１段階において、バッテリＢ１からダイオード１２を介して直接に接続点Ｐの電位を上昇させ、電圧検出回路２１が検出する電圧ＶCが設定されている閾値電圧Ｖt1を超えると、バッテリＢ１からのプリチャージが限界、すなわち電圧上昇が見込めない状態となったことを検出して第１段階のプリチャージ処理を終了する。
第１段階のプリチャージ動作が終了した後、本実施形態によるリレー接点保護回路１は、第２段階のプリチャージを開始し、チャージポンプ回路２０からの昇圧電圧にてプリチャージを開始し、閾値電圧Ｖt2を超えるまで、すなわち接続点ＰがバッテリＢ１の電圧ＶＢとなるまで（すなわち、１次側と２次側との電位差が「０」となるまで）プリチャージを行う。
【００３０】
そして、上述した処理により、本実施形態によるリレー接点保護回路１は、プリチャージが終了した後、リレー２の駆動を行う構成としたため、接続点Ｐの電位に応じてリアルタイムに電位に対応したプリチャージ動作が行われるため、プリチャージ開始からリレーの駆動までの時間に無駄が無いため、従来の様に実際に必要なプリチャージ時間に余裕を持たせ、かつ固定された時間により行うプリチャージ動作に比較して、高速なプリチャージが行える。
また、本実施形態によるリレー接点保護回路１は、高価なダイオードなどの部品を用いることが無く、製造コストを低下させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一実施形態によるリレー接点保護回路１を用いて負荷３（直流モータ駆動回路）を駆動するリレー接点の保護を行う構成例を示すブロック図である。
【図２】図１のリレー接点保護回路１の動作例を示す波形図である。
【図３】従来例における負荷３（直流モータ駆動回路）を駆動するリレー接点の保護を行う構成例を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００３２】
１…リレー接点保護回路
２…リレー
１１，１３，１９…スイッチ
１２，２２…ダイオード
１４，１６…抵抗
１７…制御部
２０…チャージポンプ回路
２１…電圧検出回路
３１…負荷（直流モータ）
３２，３３，３４，３５…ＭＯＳトランジスタ（Ｎチャネル型ＭＯＳトランジスタ）
Ｂ１…バッテリ
Ｃ１，Ｃ２…コンデンサ
【図１】
2009291026.tif 000003
【図２】
2009291026.tif 000004
【図３】
2009291026.tif 000005