JP2003243975A - 負荷制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 小電流スイッチの作動を検出して負荷を制御
する負荷制御装置を、負荷を直接制御する大電流スイッ
チによって安定に制御することを可能とし、負荷制御装
置を使用する製品の生産性向上とコスト低減とをはか
る。 【解決手段】 電源の一端に接続されたスイッチと電源
の他端に接続された負荷との間に介装された半導体スイ
ッチと、スイッチの作動を検出し半導体スイッチの導通
・遮断の作動を制御する制御手段と、スイッチが作動す
ると制御手段によって所定期間に亘って通電し接点に所
定の電流を流す通電回路とを備えて接点の酸化膜を消滅
させることにより、大電流スイッチで負荷制御装置の制
御を可能とするので、負荷制御装置の制御において、小
電流スイッチと大電流スイッチとの使い分けが不必要に
なり、負荷制御装置を使用する製品の生産性が向上しコ
ストが低減される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、機械式接点を有す
るスイッチの作動を検出して電源から負荷への電力供給
を制御する負荷制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、電源からランプ、モータ、リレー
等の各種負荷に供給される電流（負荷電流）は、電源と
負荷と間に直列に介装された機械式接点のスイッチによ
って、直接制御（電流の導通・遮断）されているが、近
年では、負荷制御の多機能化へのニーズが高まり、半導
体スイッチで負荷電流を制御する負荷制御装置が多用さ
れている。

【０００３】図３は従来の負荷制御装置の一例を示す要
部概略構成図である。負荷制御装置１は、電源母線（以
下、「電源」）２と負荷３との間に介装される。この負
荷制御装置１は電源２と負荷制御装置１との間に直列に
介装された機械式接点スイッチ（以下、「スイッチ」）
４の作動を入力回路５を介して制御手段６で検出し、電
源２と負荷３との間に直列に介装された半導体スイッチ
７の導通・遮断を制御手段６で制御することによって、
負荷３への電力供給を制御する。なお、制御手段６は中
央演算処理ユニット（以下、「ＣＰＵ」）を主体に構成
されており、制御手段６が行う制御は所定のプログラム
処理によって行われ、制御手段６は電圧安定回路８から
動作に必要な電力の供給を受けている。

【０００４】このように構成される従来の負荷制御装置
１に接続されたスイッチ４は、負荷３に供給される電流
を直接制御することはなく、入力回路５を介して電子回
路で構成される制御手段６を制御するため、スイッチ４
の接点に流れる電流は負荷３に供給される電流（例えば
数百ｍＡ〜数Ａ程度の「大電流」）に比べると極めて小
さい電流（例えば数ｍＡ〜数１０ｍＡ程度の「小電
流」）である。

【０００５】負荷電流を直接制御するスイッチでは、そ
の接点に大電流が流れ、スイッチのの開・閉によって接
点が融着し易いので、接点の材料として銀等を用いるこ
とで融着が防止されている。係る材料を用いた接点の表
面には酸化膜が形成されやすいが、接点に大電流が流れ
ると酸化膜が還元されて消滅するため、酸化膜による接
点の接触不良は生じ難い。

【０００６】ところが、接点に小電流しか流れないスイ
ッチでは、接点に形成された酸化膜は還元され難く、一
方、接点は融着し難い。このような理由から、小電流を
開・閉するスイッチの接点の材料には、酸化膜の形成を
防ぐために金が使用されることが多い。こうして、大電
流の導通・遮断には接点が融着し難いスイッチ（以下、
「大電流スイッチ」）を、小電流の導通・遮断には接点
が酸化し難いスイッチ（以下、「小電流スイッチ」）
を、それぞれ使い分けることが行われている。

【０００７】例えば、自動車における各種電装品（負
荷）制御の場合には、ユーザのコストに対するニーズと
制御の多機能化に対するニーズとが考慮されて、スイッ
チが使い分けられている。即ち、低コストを重視する車
種ではスイッチで負荷電流を直接制御することが多く、
制御の多機能化を重視する車種では負荷制御装置が使用
されることが多いので、異なる車種の生産に合わせて、
大電流スイッチと小電流スイッチとが調達され使い分け
られている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、負荷電
流を大電流スイッチで直接に制御する場合と小電流スイ
ッチによって負荷制御装置を介して負荷電流を制御する
場合とで、スイッチの使い分けをすることは部品の種類
を増加させる要因となる。また、負荷制御装置が使用さ
れる製品の生産、例えば上記の自動車の生産において
も、同一車種で大電流スイッチと小電流スイッチが混在
したり、混在しないときでも車種の違いに対応して大電
流・小電流スイッチを調達しなければならず、自動車の
生産性を低下させると共にコストアップにつながるとい
った問題があり、更に、小電流スイッチは、一般に接点
材料として金が使用されるので、コストが高いといった
問題もある。

【０００９】本発明は、上記問題を解決するためになさ
れたものであり、大電流スイッチによって負荷電流を安
定に制御することができる負荷制御装置を提供すること
によってスイッチの使い分けを不必要とし、負荷制御装
置を使用する製品の生産性向上とコスト低減をはかるこ
とを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明によれば、請求項１では、電源の一端に接続さ
れた機械式接点を有するスイッチと前記電源の他端に接
続された負荷との間に直列に介装されて、前記負荷への
電力供給を制御する半導体スイッチと、前記スイッチの
前記半導体スイッチが接続された側の接点に接続され
て、該スイッチの作動を検出し前記半導体スイッチの導
通・遮断の作動を制御する制御手段と、前記スイッチの
前記半導体スイッチが接続された側の接点と前記電源の
他端との間に直列に介装され、前記スイッチの作動に連
動して前記制御手段によって制御されて所定期間に亘っ
て電流路を形成し前記スイッチに所定の電流を流すスイ
ッチ通電回路とを備えたことを特徴とする負荷制御装置
が提供される。

【００１１】このように構成された負荷制御装置によれ
ば、スイッチが作動すると、制御手段によって制御され
たスイッチ通電回路がスイッチの接点に所定の期間に亘
って所定の電流を流すので、接点に酸化膜が形成されて
いても、酸化膜は還元され消滅する。従って、負荷制御
装置は大電流スイッチの作動を検出して負荷電流制御を
実現することができ、大電流スイッチと小電流スイッチ
の使い分けが不必要になる。

【００１２】なお、上記電流路は、前記電源の一端から
スイッチ、スイッチ通電回路、電源の他端への経路で形
成される。請求項２では、前記制御手段は、スイッチの
作動を検出して得たスイッチ作動情報を遅延して前記半
導体の導通・遮断の作動を制御する遅延手段を備えてい
るので、機械式接点を有するスイッチが作動したとき
に、接点に形成された酸化膜の還元によって生じる過渡
状態と機械式接点が機械的に安定して接触するまでの過
渡状態（以下、「チャタリング」）とが収まった後に、
半導体スイッチを導通させることで、負荷に電流を安定
して供給することができる。また、スイッチ通電回路が
スイッチの接点に電流を流す期間は、前記スイッチが作
動した時から前記半導体スイッチが導通した時までの期
間なので、負荷電流が流れると、スイッチ通電回路は電
流を流さなくなり、スイッチ通電回路が消費する電力を
低減できる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の
実施形態に係る負荷制御装置を説明する。図１は、本発
明に係る負荷制御装置の一実施形態の要部概略構成図で
ある。なお、従来の負荷制御装置と同様な機能を有する
構成要素については同一の符号を付して、その説明を省
略する。

【００１４】負荷制御装置１１は、従来の負荷制御装置
１と同様の機能を有する入力回路５、制御手段６、半導
体スイッチ７および電圧安定回路８に加えて、従来の負
荷制御装置１が有していないスイッチ通電回路２０を備
えている。なお、負荷制御装置１１のスイッチ入力端子
１１ａは電源２と負荷制御装置１１との間に介装された
スイッチ４に接続されている。また、負荷制御装置１１
における半導体スイッチ７はスイッチ入力端子１１ａと
負荷制御装置１１の出力端子１１ｂとの間に直列に介装
され、負荷３へ供給される電力は、電源２からスイッチ
４、スイッチ入力端子１１ａ、半導体スイッチ７および
出力端子１１ｂを経由して供給される。なお、電圧安定
回路８は電源２の電圧を安定化して制御手段６等に供給
している。

【００１５】負荷制御装置１１が有するスイッチ通電回
路２０は、スイッチ４がオフの状態にあるときには、ス
イッチ４が操作されると直ちにスイッチ４の接点に電流
を流すことができる状態になっている。そして、スイッ
チ４がオンされて所定時間が経過すると、スイッチ通電
回路２０は制御手段６によって制御され通電を停止す
る。

【００１６】具体的には、電圧安定回路８の電圧出力端
子８ａに接続されたスイッチ通電回路２０の電源端子２
０ａは、直列接続された抵抗Ｒ２１およびＲ２２を介し
てＮＰＮ型のトランジスタ（以下、「ＴＲ」）２３のベ
ースに接続され、ＴＲ２３のエミッタはアースに接続さ
れている。そして、直列接続された抵抗Ｒ２１およびＲ
２２の接続中点は通電端子２０ｂを介して制御手段６の
通電制御端子６ａに接続されている。なお、アースとＴ
Ｒ２３のベースとの間には抵抗Ｒ２４が接続されてい
る。

【００１７】そして、ＴＲ２３のコレクタは抵抗Ｒ２５
を介してＰＮＰ型トランジスタであるＴＲ２６のベース
に接続されている。ＴＲ２６のエミッタは電流端子２０
ｃを介してスイッチ入力端子１１ａに接続され、ＴＲ２
６のコレクタは抵抗Ｒ２７を介してアースに接続されて
いる。なお、ＴＲ２６のベースとエミッタとの間には抵
抗Ｒ２８が接続されている。即ち、ＴＲ２３は、その導
通によりＴＲ２６を駆動するものとなっている。

【００１８】一方、制御手段６はスイッチ４のオン・オ
フ状態を入力回路５を介して検出している。例えば、入
力回路５はスイッチ入力端子１１ａをプルダウン抵抗を
介してアースに接続しており、スイッチ４がオフのとき
には、スイッチ入力端子１１ａはアース電位に規定さ
れ、スイッチ４がオンになったときスイッチ入力端子１
１ａに電源２の電圧が加えられる。制御手段６は、この
ような入力回路５の状態を検出し、スイッチ４がオフの
ときには、所定のプログラム処理によって通電制御端子
６ａを開放状態に制御している。

【００１９】なお入力回路５は、スイッチ４の入力を制
御手段６へ入力するにあたり、サージ電圧等から制御手
段６を保護する保護回路も有している。図２(ａ)はスイ
ッチ４の作動状態を示している。ここで、期間Ｔはスイ
ッチ４の投入により、該スイッチ４にチャタリングが発
生している状態を示している。図２(ｂ)は通電制御端子
６ａの状態を示しており、通電制御端子６ａが開放され
ている状態を（ＯＦＦ）で、アースに接続されている状
態を（ＯＮ）で表示している。

【００２０】スイッチ４がオフの状態である時刻ｔ０に
おいては、通電制御端子６ａは開放状態にあるので、ス
イッチ通電回路２０のＴＲ２３のベースには、電源端子
２０ａ、抵抗Ｒ２１およびＲ２２を介して電圧安定回路
８の電圧出力端子８ａから電流が流れ込む。従って、Ｔ
Ｒ２３のコレクタ・エミッタ間は、スイッチ４が投入さ
れてスイッチ入力端子１１ａ（即ち、電流端子２０ｃ）
に電圧が印加されれば導通する状態になっている。電流
端子２０ｃに電圧が印加されれば、抵抗Ｒ２５を介して
ＴＲ２６のベース電流が流れ、ＴＲ２６のエミッタ・コ
レクタ間も導通することになり、スイッチ入力端子１１
ａ（電流端子２０ｃ）とアースとの間は、導通したＴＲ
２６と抵抗Ｒ２７とが直列に介装された状態になる。こ
こで、ＴＲ２６が導通した場合におけるＴＲ２６のコレ
クタ・エミッタ間の飽和電圧は通常０．２〜０．５Ｖ程
度であり電源２の電圧（例えば１２Ｖ）に比べて無視し
得る。従って、スイッチ通電回路２０には、定常状態で
は、電源２の電圧を抵抗Ｒ２７で除した値の電流が流れ
る。例えば、電源２の電圧が１２Ｖで負荷３に流れる電
流が１Ａであるとき、上記定常電流を数百ｍＡから１Ａ
程度に設定すると、抵抗Ｒ２７は１２オームから１２０
オーム以下の抵抗値に設定される。

【００２１】なお、図２（ｃ）、（ｄ）はそれぞれＴＲ
２３、ＴＲ２６の導通・遮断の状態を示し、導通を（Ｏ
Ｎ）、遮断を（ＯＦＦ）で示し、図２（ｅ）はスイッチ
通電回路２０の通電状態（通電状態を（ＯＮ）、非通電
状態を（ＯＦＦ）と表示）を示している。ここで、電流
端子２０ｃに電圧が印加される以前の状態では、ＴＲ２
３、ＴＲ２６にはコレクタ電流が流れないため、導通・
遮断が不定の状態にある。この不定の状態は斜線で示
す。

【００２２】また、後述するように、スイッチ４が操作
されて、スイッチ４の接点の酸化膜が消滅するまでの過
渡状態とスイッチ４のチャタリングによる過渡状態で
は、厳密には上記不定の状態から定常状態に移行する過
渡状態のＴＲ２３、ＴＲ２６の導通・遮断の状態とスイ
ッチ通電回路２０の通電状態とが存在するが、図２
（ｃ）〜（ｅ）はこれらの過渡状態を含んで不定の状態
として示す。

【００２３】時刻ｔ１において、スイッチ４が操作され
接点が閉じると、電源２からスイッチ４、スイッチ通電
回路２０（ＴＲ２６は導通状態となり、抵抗Ｒ２７がス
イッチ通電回路２０の抵抗として作用する）を経由して
アースに電流が流れる。ところで、スイッチ４の接点に
酸化膜が形成されている場合には、酸化膜が有する抵抗
（以下、「接点抵抗」）によって、スイッチ入力端子１
１ａ側に接続されたスイッチ４の接点の電圧が、電源２
の電圧まで上昇しないときがある。そうすると、制御手
段６は、スイッチ４の作動を検出することができないこ
とがある。

【００２４】しかしながら、このときには、上述したス
イッチ通電回路２０と接点抵抗とを経由してアースに流
れる電流の作用により、スイッチ４の接点の酸化膜は還
元され尽くし、接点抵抗は無視できる程度に減少する。
酸化膜が還元され尽くす以前でも、接点抵抗の低下によ
って、スイッチ入力端子１１ａ側に接続されたスイッチ
４の接点の電圧が上昇するので、制御手段６はスイッチ
４の作動を検出することになる。制御手段６は、スイッ
チ入力端子１１ａの電圧を、電源２の電圧よりも低い電
圧の閾値と比較してスイッチ４の作動を検出するからで
ある。

【００２５】制御手段６はスイッチ４の作動を検出して
得たスイッチ作動情報を、制御手段６が有する遅延手段
によって遅延させる。遅延手段は制御手段６の主たる構
成要素であるＣＰＵにメモリされたプログラムの制御に
よって実現される。制御手段６が有する遅延手段によっ
てスイッチ作動情報が時刻ｔ２まで遅延されると、制御
手段６は、該遅延したスイッチ作動情報によって半導体
スイッチ７を導通制御し負荷３へ電力を供給すると同時
に、通電制御端子６ａをアースに接続する制御を行う。
なお、このような通電制御端子６ａの制御は、例えば、
通電制御端子６ａとアースとの間をＭＯＳ型トランジス
タで導通・遮断の制御をすることで実現できる。

【００２６】通電制御端子６ａがアースに接続される
と、スイッチ通電回路２０の電源端子２０ａから抵抗Ｒ
２１を介して流れる電流は、通電制御端子６ａからアー
スへと流れる。従って、ＴＲ２３のベースには電流が流
れなくなり、ＴＲ２３は遮断する。そうするとＴＲ２３
で駆動されたＴＲ２６も遮断する。即ち、スイッチ入力
端子１１ａとアースとの間を、スイッチ通電回路２０を
介して流れていた電流が遮断される。

【００２７】ここで、スイッチ４が作動したときに、ス
イッチ４の接点が安定して接触する状態を実現する要因
は主に、第１に酸化皮膜の消滅であり、第２にチャタリ
ングの収束である。チャタリングは通常１ｍｓ〜１０ｍ
ｓ程度で収束し、酸化膜はこれより早く消滅するので、
チャタリングが収束するまでの期間を考慮してチャタリ
ング収束期間より若干長めの期間（所定期間）に亘って
スイッチ通電回路２０を通電動作させてスイッチ４の接
点を通電すれば、スイッチ４の接点が安定して接触する
状態を実現できる。また、スイッチ通電回路２０の通電
動作を上記にように定めることで、スイッチ通電回路２
０の消費電力を低減することができる。

【００２８】なお、スイッチ通電回路２０がスイッチ４
の接点に流す電流は、負荷３に流れる電流を上限とする
ことが好ましい。負荷３に供給される電流以上の電流を
スイッチ４の接点に流さない方が、接点の寿命を長くす
ることができるからである。一方、スイッチ通電回路２
０によってスイッチ４の接点に流れる電流の下限は、上
記所定期間に接点の酸化膜を還元するのに十分な電流で
あれば良く、接点の材料やスイッチの構造に依存する
が、概ね数百ｍＡから１Ａ程度以上あればよい。

【００２９】時刻ｔ１で、スイッチ４が操作され接点が
閉じ、スイッチ入力端子１１ａの電圧が電源２の電圧ま
で上昇することができないときであっても、スイッチ４
の接点抵抗があまり高くなければ、前述したスイッチ入
力端子１１ａの電圧と閾値との関係から、制御手段６
は、スイッチ４の作動と同時に、該作動を検出し得る。
このときも、所定期間に亘ってスイッチ通電回路２０が
流す電流によって、接点の酸化膜は還元され尽くし、接
点抵抗が無視できる程度に減少する。

【００３０】以上のようにして、スイッチ４の接点の酸
化膜は還元され消滅するので、大電流スイッチによって
負荷制御回路を制御することが可能となる。なお、スイ
ッチ４の接点に酸化膜がないときであっても（このとき
には、スイッチ４の作動は直ちに制御手段６で検出され
る）、スイッチ４が作動した後、所定期間の経過後、負
荷３には、制御手段６によって導通制御された半導体ス
イッチ７によって電力が供給される。

【００３１】以上のように、負荷制御装置１１は、スイ
ッチ４が操作されると、スイッチ４の接点にスイッチ通
電回路２０によって電流を流し、該接点に形成された酸
化膜を消滅させる作用を有するので、大電流スイッチで
負荷制御装置１１を制御することが可能となる。また、
制御手段６はスイッチ４の作動を検出して得たスイッチ
の作動情報を所定時間遅延させて、半導体スイッチ７を
導通制御して負荷３に電力を供給するので、負荷３には
スイッチ４の接点が安定に接触した後に電力が供給され
る。スイッチ通電回路２０は所定期間に亘って前記接点
に電流を流した後に、制御手段６の制御によって通電を
停止するので、スイッチ通電回路２０は不必要に電力を
消費しない。

【００３２】ここで、半導体スイッチにいわゆるインテ
リジェント・パワー・スイッチ（以下、「ＩＰＳ」）を
使用することも可能であり、ＩＰＳを使用すれば、負荷
が故障等で、負荷電流が過大となったとき、制御手段は
ＩＰＳからの過大電流検知の情報を受け取って、ＩＰＳ
を遮断制御することや、図示しない過大電流表示装置に
警報を表示することができる。

【００３３】なお、スイッチ通電回路による通電時間
は、チャタリング期間を考慮して定めた所定期間に限ら
れるのものではない。スイッチ通電回路によってスイッ
チの接点に流れる電流によって、接点の酸化膜が還元さ
れ消滅すればよく、通電時間はチャタリング期間より短
い期間であってもよい。また、スイッチ通電回路の消費
電力、スイッチの接点の定格電流を考慮して、スイッチ
通電回路による通電時間は、制御手段による半導体スイ
ッチの導通制御後まで至ってもよい。他方、通電時間が
半導体スイッチの導通制御前に終了するものであって
も、スイッチの接点の酸化膜が還元されば、本発明の負
荷制御装置が目的とするところを達成することができ
る。

【００３４】なお、スイッチ通電回路はトランジスタで
構成されるものに限定されないことは言うまでもない。
例えばＭＯＳ型電界トランジスタでスイッチ通電回路を
構成することもできる。以上、本発明は、自動車におけ
る負荷制御装置を例として説明したが、その趣旨を逸脱
しない範囲で種々の負荷制御について実施することがで
き、また、上述した実施形態に限定されるものではな
く、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形をして実施
することができる。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の負荷制御
装置によれば、大電流スイッチで負荷電流を制御するこ
とができる負荷制御装置が提供されるので、負荷制御装
置が使用される製品で大電流スイッチと小電流スイッチ
の使い分けを不必要とすることができ、負荷制御装置を
使用する製品の生産性向上とコスト低減をはかることが
できるといった効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る負荷制御装置の一実施形態の要部
概略構成図である。

【図２】図１に示す負荷制御装置のスイッチ通電回路の
通電タイミングを示す図である。

【図３】従来の負荷制御装置の一例を示す要部概略構成
図である。

【符号の説明】

２ 電源 ３ 負荷 ４ スイッチ ６ 制御手段 ７ 半導体スイッチ １１ 負荷制御装置 ２０ スイッチ通電回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高橋 宏明 東京都千代田区丸の内２丁目６番１号 古 河電気工業株式会社内 (72)発明者 堤 寛 東京都千代田区丸の内２丁目６番１号 古 河電気工業株式会社内 Ｆターム(参考） 5J055 AX00 AX55 BX26 CX28 DX03 DX46 DX83 EX06 EY01 EY17 EZ03 EZ39 EZ43 FX18 GX01 GX02 GX04

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電源の一端に接続された機械式接点を有
   するスイッチと前記電源の他端に接続された負荷との間
   に直列に介装されて、前記負荷への電力供給を制御する
   半導体スイッチと、 前記スイッチの前記半導体スイッチが接続された側の接
   点に接続されて、該スイッチの作動を検出し前記半導体
   スイッチの導通・遮断の作動を制御する制御手段と、 前記スイッチの前記半導体スイッチが接続された側の接
   点と前記電源の他端との間に直列に介装され、前記スイ
   ッチの作動に連動して前記制御手段によって制御されて
   所定期間に亘って電流路を形成し前記スイッチに所定の
   電流を流すスイッチ通電回路とを具備することを特徴と
   する負荷制御装置。
2. 【請求項２】 前記制御手段は、スイッチの作動を検出
   して得たスイッチ作動情報を遅延して前記半導体の導通
   ・遮断の作動を制御する遅延手段を備え、前記所定期間
   は、前記スイッチが作動した時から前記半導体スイッチ
   が導通した時までの期間であることを特徴とする請求項
   １に記載の負荷制御装置。