JP2005019106A

JP2005019106A - 直流リレー

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Publication number: JP2005019106A
Application number: JP2003180154A
Authority: JP
Inventors: Takashi Hoshino; 孝志星野; Hiroyuki Imanishi; 啓之今西
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2003-06-24
Filing date: 2003-06-24
Publication date: 2005-01-20

Abstract

【課題】電流調整が可能でより簡易な構成でありながら、アークの発生を低減することができる直流リレーを提供する。
【解決手段】直流リレー１は、電力の供給を遮断可能な無接点スイッチ２と、スイッチ２と直列に接続され、機械的な遮断を行う第一遮断部１０及び第二遮断部２０と、スイッチ２と並列に接続される抵抗Ｒとを具える。第一遮断部１０及び第二遮断部２０の一方は、負荷よりも電源の高電位側に配置し、他方は、負荷よりも電源の低電位側に配置する。負荷への電力供給は、スイッチ２をオフ、第一遮断部１０及び第二遮断部２０をオンにし、抵抗Ｒを介することで負荷への電力を制限した後、スイッチ２をオンにし、通常の電力の供給を行う。電力の遮断は、スイッチ２をオフにし、供給電力の大部分を抵抗Ｒに印加してから、第一遮断部１０及び第二遮断部２０を同時にオフにして、アークの発生を低減する。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、負荷への電力供給を遮断可能な直流電流のリレーに関するものである。特に、アークの発生を効果的に抑制して、又は防止して電力供給を遮断することができると共に、部品点数が少なく、より小型な直流リレーに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、環境問題からハイブリッド自動車（ＨＥＶ）や燃料電池自動車などといった高電圧（約３００Ｖ）でモータなどを駆動する自動車が開発されてきている。これらの自動車は、モータなどの電気機器（負荷）に電力を供給する直流高電圧の電源を具え、電源と負荷とを電気的に接続又は切り離しする遮断機構として、機械的な接続又は切り離しを行う直流リレーを用いたリレーユニットが利用されている。
【０００３】
図１２は、ＨＥＶに用いられている従来のリレーユニットを説明する概略回路図である。リレーユニット１００は、機械的な遮断を行う複数の直流リレー１０１〜１０３と抵抗１０４とを具える。具体的には、電源１０５の高電位側に第一リレー１０１、負荷よりも電源１０５の低電位側に第二リレー１０２をそれぞれ電源１０５に直列に具える。また、第一リレー１０１と並列に第三リレー１０３及び抵抗１０４を具える。なお、リレーユニット１００以外の回路の開手段として、電源１０５近傍にサービスプラグ１０６や電圧ヒューズ１０７を具える。
【０００４】
上記リレーユニット１００を用いた負荷への電力の供給は、電力投入直後、抵抗１０４を介して電流を流し、しばらくしてから第一リレー１０１及び第二リレー１０２を介して通常の電力供給を行う。具体的には、第一リレー１０１をオフにしておき、第二リレー１０２、第三リレー１０３を順にオンにし、抵抗１０４を介して負荷への電力の投入を開始し、一定時間後、第一リレー１０１をオンにして、第一リレー１０１及び第二リレー１０２を介して負荷に電力を供給する。
【０００５】
上記のような直流高電圧を遮断する場合は交流と異なり、電流がゼロとなる点が無いため、発生するアークが非常に大きく、短時間での遮断が非常に難しい。そこで、従来、リレーユニットに用いられる直流リレーとして、水素などの冷却効果が大きい気体をアーク発生部に封入してアークの発生を抑える構造が提案されている（例えば特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平９−３２０４１１号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のリレーユニットでは、部品点数が多く、大型化するという問題がある。
【０００８】
負荷には、容量の大きなコンデンサを具えていることがある。そのため、電力の投入開始直後、抵抗を介して電流の制限を行わず、第一リレーを介して直ちに電力の供給を行うと、負荷に過電流が流れて負荷が破壊される恐れがある。そこで、電力の投入開始直後は、コンデンサが十分に充電できるように、電流を制限するべく上記のように抵抗を介して電力の供給を行う。このように電力の投入開始直後における電流の調整を行うため、従来は、図１２に示すようにリレーユニットに三つの直流リレーを具えている。しかし、これらの三つの直流リレーは、開閉を行うソレノイドなどの駆動機構をそれぞれ別個に具える独立した構成であるため、リレーユニットの部品点数が多く、大型になる傾向にある。
【０００９】
また、直流リレーとして、特許文献１に示すような気体を用いてアークを抑制する構造では、自動車という限られたスペースに搭載する機器において性能を落とすことなく小型化することが非常に困難である。特許文献１に記載される構造では、気体を完全に密閉できるケース構造が必要となるが、気密性に加え、数千℃〜１万℃という高温のアークに対する耐熱性をも考慮すると、ケースの密閉接合部の面積を大きくとるべくケースの厚みを非常に厚くしなければならず、ケースが大型化してしまう。また、このようにケースを厚くしても、長期間に亘ってメンテナンスをせずに気体の密封を維持し続けることは、困難である。
【００１０】
更に、上記ケースは、数千℃以上といった高温に耐え得るセラミックなどの材料で形成されると共に、構造も複雑であるため、経済性も悪い。
【００１１】
従って、本発明の目的は、電力の投入直後において電流調整が可能でありながら、部品点数が少なく、より簡易な構成でアークを効果的に抑制できる、或いは防止できる直流リレーを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、機械的に遮断可能な遮断部と無接点スイッチとを組み合わせて用いることで、上記目的を達成する。
【００１３】
即ち、本発明は、電源と負荷とに接続されて負荷への電力の供給を遮断可能な直流リレーであって、前記電力の供給を遮断可能な無接点スイッチと、前記無接点スイッチと直列に接続されると共に、機械的に遮断可能な第一遮断部及び第二遮断部と、前記無接点スイッチと並列に接続される抵抗とを具える。そして、前記第一遮断部及び第二遮断部のいずれか一方は、負荷よりも電源の高電位側に配置させ、他方は、負荷よりも電源の低電位側に配置させる。
【００１４】
本発明は、無接点スイッチを具えることで、ソレノイドなどの接点の開閉を行う駆動手段を減らして、部品点数を削減し小型化を実現する。また、無接点スイッチは、機械的な遮断を行う遮断部と異なり、オフにする際、アークを生じることが無いため、電力供給を遮断する際、無接点スイッチを遮断部よりも先にオフにすることで、アークを効果的に低減することができる。更に、無接点スイッチだけでなく、機械的な遮断が可能な第一遮断部及び第二遮断部を具えることで、回路を確実に遮断することができる。このとき、無接点スイッチをオフにすると、無接点スイッチに並列に具える抵抗に供給電圧の大部分が印加されるため、第一遮断部や第二遮断部の接点にほとんど電位差がない状態となる。従って、無接点スイッチをオフにした後、各遮断部をオフにすると、アークが生じにくい、或いは全く生じることがない。加えて、抵抗により電流の調整を行うことができるため、電力の投入開始直後において、電流の制限を行うことができる。従って、本発明は、アークの消弧性能を低下させることがないと共に、より小型で電流調整機能を具えた直流リレーを提供することができる。また、従来のように気体を利用した消弧構造でないため、大型で複雑な構造とならず、かつ長期に亘り十分な性能を維持することができる。以下、本発明をより詳しく説明する。
【００１５】
本発明において無接点スイッチは、半導体からなるものが好ましい。半導体からなる無接点スイッチとしては、例えば、トランジスタ、ＪＦＥＴ（接合形電界効果トランジスタ）、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）、バイポーラトランジスタ、サイリスタ、ＧＴＯ（ゲートターンオフサイリスタ）、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）などが挙げられる。特に、Ｓｉ系半導体からなるものよりも、ＳｉＣやＧａＮなどのワイドバンドギャップ半導体からなるものは、耐電圧性に優れ、大電流の通電が可能であるため好ましい。このような無接点スイッチは、負荷よりも電源の低電位側（ローサイド）、高電位側（ハイサイド）のいずれに配置してもよい。
【００１６】
半導体からなる無接点スイッチを用いる場合、半導体は、通常、遮断時においても漏れ電流が流れるが、電力が限られている自動車では、漏れ電流をなくすことが望まれる。本発明リレーには、上記無接点スイッチと直列に、機械的に遮断可能な遮断部を具えることで、回路を電気的に完全に絶縁することができ、漏れ電流を効果的に防止することができる。また、本発明では、二つの遮断部を具え、一方の遮断部を負荷よりも高電圧電源（例えば約３００Ｖ）の高電位側、他方の遮断部を負荷よりも高電圧電源の低電位側に配置する。この構成により、高電圧電源のいずれかの側の電線が低電圧系のボディアースと短絡した場合であっても、負荷に大きな電流が流れることを防止することができる。ハイブリッドカーなどの車載システムでは、高電圧電源と低電圧系の負荷間がトランスにより絶縁分離され、低電圧系に具える低電圧バッテリー（例えば１２Ｖ）は、通常ボディアースがとられている。このボディアースと高電圧電源の高電位側、或いは低電位側とは、電位が異なるため、ボディアースと上記高電位側の電線、或いはボディアースと上記低電位側の電線のいずれの電線が短絡しても、負荷に大きな電流が流れる恐れがある。しかし、本発明では、高電圧電源の高電位側及び低電位側の双方に、それぞれ遮断部を具えることで、負荷に過大な電流が流れることを効果的に防止することができる。
【００１７】
第一遮断部は、開閉可能な接点対を具えるものとする。接点対の開閉は、後述する駆動部を具えて行うとよい。第一遮断部の接点対は、第一入力接点と第一出力接点とを具える。第一入力接点及び第一出力接点の双方を可動接点としてもよいが、その場合、駆動部が多くなるため、一方を固定接点とし、他方を可動接点とすることが好ましい。更に、第一入力接点及び第一出力接点だけでなく、第一入力接点と第一出力接点とに接続又は切り離しが可能な第一連結接点を具えて、接点対の数を多くしてもよい。第一連結接点は、第一入力接点と接続又は切り離し可能な第一入力側連結接点、第一出力接点と接続又は切り離し可能な第一出力側連結接点を具えるとよい。このとき、第一入力接点及び第一出力接点を固定接点とし、第一連結接点を駆動部で駆動される可動接点とするとよい。第一入力接点及び第一入力側連結接点からなる接点対、第一出力接点及び第一出力側連結接点からなる接点対というように、接点対を複数具えることで、無接点スイッチが故障などして、供給電圧が抵抗を介さずそのまま遮断部に印加されても、電力の供給を遮断する際、複数の接点対で電圧を分圧して、接点対一つ当りに加わる電圧を小さくすることで、アークを発生しにくくする、或いは全く生じさせないことができる。
【００１８】
更に、本発明では、接点対の数を多くするために、第一遮断部だけでなく、機械的な遮断を行う第二遮断部を具える。第二遮断部は、上記第一遮断部と同様に、開閉可能な接点対を具え、後述する駆動部により接点対の開閉を行うとよい。そして、より接点対の数を多くするべく、第二遮断部も、第二入力接点及び第二出力接点だけでなく、第二連結接点を具えることが好ましい。第二連結接点は、第二入力接点と接続又は切り離し可能な第二入力側連結接点、第二出力接点と接続又は切り離し可能な第二出力側連結接点を具える。この構成により、第一遮断部及び第二遮断部は、入力側と出力側とにそれぞれ二組の接点対、合計四組の接点対を具える。このように本発明リレーにおいて機械的な遮断を行う第一遮断部及び第二遮断部は、それぞれ複数の接点対を具える接点対群とすることも可能である。
【００１９】
そして、第二連結接点を具える場合、第二入力接点及び第二出力接点を固定接点とし、第二連結接点を可動接点とすることが好ましい。このとき、第二連結接点の駆動は、別の駆動部を具えて行ってもよいが、部品点数を減らすため、第一遮断部と同一の駆動部により行うことが好ましい。
【００２０】
更に、本発明では、抵抗を無接点スイッチと並列に具える。この抵抗は、例えば、従来のリレーユニットと同様のものを用いてもよい。
【００２１】
無接点スイッチ及び抵抗、第一遮断部及び第二遮断部の具体的な配置形態を表１に示す。表１において、「無接点」は無接点スイッチ、「遮断部Ａ」は第一遮断部及び第二遮断部のいずれか一方の遮断部、「遮断部Ｂ」は遮断部Ａで選択した遮断部と異なる遮断部とする。配置形態としては、負荷よりも電源のハイサイドに無接点スイッチ及び抵抗と一方の遮断部とを配置し、負荷よりも電源のローサイドに他方の遮断部を配置する場合（配置形態１、２）、負荷よりも電源のハイサイドに一方の遮断部を配置し、負荷よりも電源のローサイドに無接点スイッチ及び抵抗と他方の遮断部とを配置する場合（配置形態３、４）が挙げられる。いずれの配置形態においても、各遮断部は、入力接点及び出力接点からなる一組の接点対を具える構成としてもよいし、連結接点を具えて多数組の接点対を具える構成としてもよい。
【００２２】
【表１】

【００２３】
配置形態の具体例を図１に示す。図１（Ａ）、（Ｂ）は配置形態２、図１（Ｃ）は配置形態４を示す。図１に示すいずれの配置形態も、第一遮断部１０は、第一入力接点１１ａ及び第一出力接点１１ｂに加え、第一連結接点１１ｃを具え、第二遮断部２０は、第二入力接点１３ａ及び第二出力接点１３ｂに加え、第二連結接点１３ｃを具える例を示す。第一連結接点１１ｃには、第一入力接点１１ａと接続又は切り離し可能な第一入力側連結接点１１ｄ、第一出力接点１１ｂと接続又は切り離し可能な第一出力側連結接点１１ｅを具える。第二連結接点１３ｃには、第二入力接点１３ａと接続又は切り離し可能な第二入力側連結接点１３ｄ、第二出力接点１３ｂと接続又は切り離し可能な第二出力側連結接点１３ｅを具える。また、第一連結接点１１ｃ及び第二連結接点１３ｃは、同一の駆動部１２により駆動される可動接点としている。なお、図１（Ａ）は、第一入力側連結接点１１ｄと第一出力側連結接点１１ｅ間に、並列に配置した無接点スイッチ及び抵抗Ｒを具える構成である。いずれの遮断部においても、更に連結接点を具えて、接点対をより多く具える構成としてもよい。
【００２４】
上記構成を具える本発明リレーは、負荷に電力を供給する際、無接点スイッチをオフにしておき、第一遮断部及び第二遮断部をオンにし、一定時間後、無接点スイッチをオンにして負荷に電力を供給し、負荷への電力供給を遮断する際、無接点スイッチをオフにした後、第一遮断部及び第二遮断部を同時にオフにするように構成することが好ましい。
【００２５】
この構成では、電力投入直後において、無接点スイッチをオフにしておき、抵抗を介することで電流の調整を行い、電流を制限した状態で電力を供給する。そして、一定時間、即ち、負荷に具えるコンデンサが十分充電された後、無接点スイッチをオンにして電流の制限を停止し、負荷に通常の電力を供給する。即ち、本発明リレーは、抵抗を利用して、負荷への電力の供給にあたり従来のリレーユニットと同様に電流の調整を行うことができる。
【００２６】
また、この構成において通常の電力の供給は、無接点スイッチをオンにしておき、無接点スイッチを介して行う。従って、無接点スイッチは、通常の通電電流及び通電電圧に十分耐え得るものを使用する。
【００２７】
一方、電力の供給を遮断する際は、アークが発生しない無接点スイッチをまずオフにする。このとき、電力は、抵抗を介して供給され、供給電圧のほとんどが抵抗に印加されるため、各遮断部の接点は、電位差がほとんどない状態となり、第一遮断部及び第二遮断部をオフにする際には、アークが生じにくくなるか、或いは全く生じない。本発明リレーは、このように抵抗を用いることで、アークの発生を効果的に低減する、或いはなくすことができ、気体の密閉構造を用いていない簡易な構成でありながら、高速遮断が可能である。特に、本発明では、第一遮断部だけでなく、第二遮断部をも具えて接点対を多くして同時にオフにするため、無接点スイッチが故障などして、供給電圧が抵抗を介さずそのまま遮断部に印加されても、接点対一つ当りに加わる電圧を小さくし、アークの発生を防止することができる。
【００２８】
上記入力接点、出力接点や、連結接点は、銅などの導電性部材に設けるとよい。上記第一遮断部及び第二遮断部が入力接点及び出力接点のみを具える場合、一方の接点を設けた導電性部材を絶縁性材料からなるベースに配置し、このベースに駆動部を連結して可動接点とするとよい。上記第一遮断部及び第二遮断部が更に連結接点を具える場合、各遮断部において入力側連結接点や出力側連結接点を銅などの導電性部材にそれぞれ設け、両遮断部の導電性部材を絶縁性材料からなる同一のベースに配置し、このベースに駆動部を連結するとよい。即ち、第一遮断部の第一連結接点を設けた導電性部材を搭載したベースに、第二遮断部の第二連結接点を設けた導電性部材をも配置する。この構成により、第一遮断部及び第二遮断部の開閉動作を一つの駆動部で同時に行うことができる。また、第一遮断部の第一連結接点間に、抵抗及び無接点スイッチを並列に配置する場合は、これら無接点スイッチ及び抵抗も上記ベース上に配置するとよい。
【００２９】
接点の開閉を行う駆動部の駆動源は、種々のものが利用できる。例えば、ソレノイドやシリンダなどの直動系駆動源、モータなどの回転系駆動源が挙げられる。直動系駆動源を用いる場合、接点を設けた導電性部材、又は接点を設けた導電性部材を配置した絶縁性のベースに直動系駆動源を連結して接点を開閉させるとよい。回転系駆動源を用いる場合は、回転運動を往復運動に変換する変換機構を介して接点の開閉を行うとよい。
【００３０】
無接点スイッチのオン／オフの制御は、制御回路を具えて行うとよい。本発明リレーでは、電力投入直後、抵抗を介して負荷に電力供給を行うため、遮断部をオンにしてから一定時間後に無接点スイッチをオンにする。そこで、無接点スイッチの制御回路として、遮断部をオンにした時間よりも無接点スイッチをオンにする時間を遅らせるための抵抗Ｒ_１とコンデンサとを具える構成のものが挙げられる。無接点スイッチをオンにする時間は、抵抗Ｒ_１とコンデンサとの積により調整するとよい。このような制御回路は、自動車などに搭載されている制御装置のＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ、電子制御装置）などのＭＰＵ（マイクロコンピュータ）と接続可能にしておく。
【００３１】
上記第一遮断部及び第二遮断部のオン／オフの制御は、ＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ、電子制御装置）などのＭＰＵ（マイクロコンピュータ）を搭載した制御機器を用いて適宜行ってもよい。例えば、自動車に既存の制御装置に本発明リレーを取り付けて、この既存の制御装置に本発明リレーの駆動機能を追加して用いてもよい。このとき、リレー自体の構成部品をより低減することができると共に、既存の制御装置を用いることで、低コストにすることができる。
【００３２】
また、第一遮断部及び第二遮断部のオン／オフを制御する制御回路を本発明リレーに具えていてもよい。このような制御回路は、例えば、信号の制御を行うＭＰＵ（マイクロコンピュータ）と、低電圧電源（例えば、１２Ｖ）に接続されると共に、ＭＰＵなどの電源となる電源回路と、駆動部への信号の制御を行う半導体スイッチやリレーとを具える構成が挙げられる。このように遮断部のオン／オフの制御及び無接点スイッチのオン／オフを行う制御回路を具えた本発明リレーは、自動車などへの取り付け作業性に優れて好ましい。
【００３３】
上記第一遮断部及び第二遮断部のオン／オフを制御する制御回路は、無接点スイッチのオン／オフを行う制御回路と別個に具えていてもよいが、両者の制御回路を一体の回路とすると、回路の占有面積をより小さくすることができて好ましい。
【００３４】
更に、短絡事故などの事故の際、過大な電流が負荷に流れて火災などの重大な事態を回避するべく、過電流が流れた際、少なくとも無接点スイッチをオフにする構成を具えることが好ましい。具体的には、例えば、負荷に供給される電流を測定する電流センサを具えておくことが挙げられる。電流センサは、例えば、ホール素子やカレントトランスなどが挙げられる。電流センサからの情報（測定データ）は、本発明リレーを取り付けた制御装置のＭＰＵや本発明リレーに具える制御回路のＭＰＵに伝達して、電流値が閾値超となった際、無接点スイッチをオフにするような回路を構成するとよい。
【００３５】
その他の構成として、例えば、無接点スイッチの制御回路を工夫することが挙げられる。例えば、無接点スイッチの電位、より具体的にはソース・ドレイン間の電位差と閾電位とを比較する比較器を具え、無接点スイッチの電位が閾電位を超えた際、無接点スイッチに過電流が流れたと判定し、無接点スイッチをオフにするように構成された制御回路を具えていてもよい。上記制御回路は、無接点スイッチに流れる電流と、ソース・ドレイン間の電位差が比例の関係にあることを利用して、比較器によりソース・ドレイン間の電位差と閾電位とを比較し、ソース・ドレイン間の電位差が閾電位を超えた場合、過電流が生じていると判定し、無接点スイッチをオフにする構成である。いわゆるラッチ回路と呼ばれる保護回路を用いてもよい。比較器としては、コンパレータなどが挙げられる。
【００３６】
上記構成を具える本発明リレーは、過電流が生じた際、無接点スイッチをオフにすることで、抵抗を介して電流が流れるため、抵抗により電力エネルギーを消費させることができる。そのため、負荷への過大な電流の投入を無くすことができる、或いは制限することができる。このように事故時などに発生する過大な電流を無くす又は制限することで、配線や負荷などが異常加熱するなどの事態を回避し易い。
【００３７】
更に、無接点スイッチに加えて、第一遮断部や第二遮断部をオフにして、電力供給を完全に断つこともできる。
【００３８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
図２は、本発明直流リレーの概略を示す回路図である。本例に示す直流リレー１は、負荷への電力の供給を遮断可能な無接点スイッチ２と、無接点スイッチ２と直列に接続されると共に、機械的に遮断可能な第一遮断部１０及び第二遮断部２０と、無接点スイッチ２と並列に接続される抵抗Ｒを具える。本例では、第一遮断部１０を負荷よりも電源Ｖの高電位側に配置し、第二遮断部２０を負荷よりも電源Ｖの低電位側に配置する。以下、各構成をより詳しく説明する。
【００３９】
＜無接点スイッチ＞
本例において無接点スイッチ２は、ワイドギャップ半導体からなるＦＥＴを用いた。また、無接点スイッチ２のオン／オフの制御を行う制御回路を具えている。
【００４０】
図３（Ａ）は、無接点スイッチのオン／オフの制御を行う制御回路の一例を示す回路図、（Ｂ）は、無接点スイッチをオンにする時間を遮断部よりも遅らせることが可能な回路図である。無接点スイッチ２に具える制御回路としては、例えば、図３（Ａ）に示す構成が挙げられる。この制御回路は、無接点スイッチ２に電力の供給を行う電源回路と接続可能な電源端子２ａ、２ｃと、電源端子２ａ、２ｃ間に配置されて制御回路の電圧を一定に保つためのキャパシタＣと、無接点スイッチ２へのオン／オフの信号（電圧）を与えるための抵抗Ｒ_１、Ｒ_２と、負荷に流れる大電流系から制御回路に電流が流れるのを防止するためのダイオードＤ_１とを具える。更に、図３（Ｂ）に示すようにコンデンサＣ_ｔを具えて、抵抗Ｒ_１とコンデンサＣ_ｔとの積により、無接点スイッチをオンにする時間を調整可能な回路としてもよい。本発明リレーは、遮断部をオンにして電力投入を開始してから一定時間後に無接点スイッチをオンにする。このとき、図３（Ｂ）に示すような制御回路とすると、無接点スイッチ２をオンにする時間をコンデンサＣ_ｔ及び抵抗Ｒ_１により遮断部よりも遅らせることができる。
【００４１】
＜第一遮断部＞
《接点》
図４は、本発明直流リレーの概略を示す上面図、図５は、その正面図、図６は、その分解構成図である。本例に示す第一遮断部１０は、第一入力接点１１ａ及び第一出力接点１１ｂに加えて、第一連結接点１１ｃを具える構成である。第一連結接点１１ｃは、第一入力接点１１ａと接続又は切り離し可能な第一入力側連結接点１１ｄ、第一出力接点１１ｂと接続又は切り離し可能な第一出力側連結接点１１ｅを具える。従って、第一入力接点１１ａと第一入力側連結接点１１ｄとで一組の接点対をなし、第一出力接点１１ｂと第一出力側連結接点１１ｅとで一組の接点対をなし、合計二組の接点対を具える構成である。
【００４２】
第一入力接点１１ａ、第一出力接点１１ｂは、それぞれ別の導電性部材の一面に形成した。第一入力接点１１ａを設けた導電性部材には、電源Ｖに接続可能な端子１０Ａ、第一出力接点１１ｂを設けた導電性部材には、負荷に接続可能な端子１０Ｂを設けている。
【００４３】
第一入力側連結接点１１ｄ、第一出力側連結接点１１ｅも第一入力接点１１ａ、第一出力接点１１ｂと同様に、それぞれ別の導電性部材１２ｆ、１２ｇの一面に形成した。そして、これら導電性部材１２ｆ、１２ｇ間に無接点スイッチ２及び抵抗Ｒを並列させて配置している。これら導電性部材１２ｆ、１２ｇ、無接点スイッチ２及び抵抗Ｒは、絶縁性材料からなるベース１２ｃに配置している。
【００４４】
＜第二遮断部＞
《接点》
本例に示す第二遮断部２０は、第一遮断部１０と同様に第二入力接点１３ａと第二出力接点１３ｂに加えて、第二連結接点１３ｃを具える構成である。第二連結接点１３ｃは、第二入力接点１３ａと接続又は切り離し可能な第二入力側連結接点１３ｄ、第二出力接点１３ｂと接続又は切り離し可能な第二出力側連結接点１３ｅを具える。従って、第一遮断部１０と同様に、第二入力接点１３ａと第二入力側連結接点１３ｄとで一組の接点対をなし、第二出力接点１３ｂと第二出力側連結接点１３ｅとで一組の接点対をなし、合計二組の接点対を具える構成である。
【００４５】
第二入力接点１３ａ、第二出力接点１３ｂは、それぞれ別の導電性部材の一面に形成した。第二入力接点１３ａを設けた導電性部材には、負荷に接続可能な端子１１Ａ、第二出力接点１３ｂを設けた導電性部材には、電源Ｖに接続可能な端子１１Ｂを設けている。
【００４６】
第二入力側連結接点１３ｄは、導電性材料からなる第二連結部材１３ｆの一面の一部に設け、この第二連結部材１３ｆの同じ面の一部に第二出力側連結接点１３ｅを設けている。この第二連結部材１３ｆは、導電性部材１２ｆ、１２ｇ、無接点スイッチ２及び抵抗Ｒを搭載しているベース１２ｃに配置している。
【００４７】
《駆動部》
駆動部１２の駆動源として、本例では、ソレノイド１２ａを用いている。本例では、導電性部材１２ｆ、１２ｇ、１３ｆ、無接点スイッチ２及び抵抗Ｒを搭載したベース１２ｃに駆動部１２のソレノイド１２ａを連結して、第一遮断部１０及び第二遮断部２０の合わせて合計四組の接点対の開閉を行う。即ち、本例では、第一連結接点１１ｃ及び第二連結接点１３ｃを駆動部１２により駆動可能な可動接点とし、第一入力接点１１ａ及び第一出力接点１１ｂ、第二入力接点１３ａ及び第二出力接点１３ｂを固定接点とする。ソレノイド１２ａには、ソレノイド１２ａに電力の供給を行う電源端子１２ｄ、１２ｅが連結され、電流の供給／停止により適宜第一遮断部１０、第二遮断部２０のオン／オフを行う。本例において第一遮断部１０及び第二遮断部２０のオン／オフの制御、即ち、ソレノイド１２ａへの電力の供給は、例えば、自動車に既存の制御装置に第一遮断部１０及び第二遮断部２０の駆動機能を追加することで行う。
【００４８】
＜動作説明＞
《電力投入動作》
本例に示す本発明直流リレー１において、負荷に電力を供給する際の動作を説明する。まず、無接点スイッチ２をオフにしておき、第一遮断部１０及び第二遮断部２０をオンにするべく、第一入力接点１１ａと第一入力側連結接点１１ｄ、及び第一出力接点１１ｂと第一出力側連結接点１１ｅ、第二入力接点１３ａと第二入力側連結接点１３ｄ、及び第二出力接点１３ｂと第二出力側連結接点１３ｅを接触させる。このとき、電源Ｖ→第一入力接点１１ａ→第一入力側連結接点１１ｄ（導電性部材１２ｆ）→抵抗Ｒ→第一出力側連結接点１１ｅ（導電性部材１２ｇ）→第一出力接点１１ｂ→負荷→第二入力接点１３ａ→第二入力側連結接点１３ｄ（第二連結部材１３ｆ）→第二出力側連結接点１３ｅ（第二連結部材１３ｆ）→第二出力接点１３ｂ→電源Ｖという閉ループが形成され、抵抗Ｒを介して負荷に電力が供給される。従って、電力投入直後は、抵抗Ｒを介すことで、電流の制限を行う。
【００４９】
一定時間経過後、無接点スイッチ２をオンにする。このとき、電源Ｖ→第一入力接点１１ａ→第一入力側連結接点１１ｄ（導電性部材１２ｆ）→無接点スイッチ２→第一出力側連結接点１１ｅ（導電性部材１２ｇ）→第一出力接点１１ｂ→負荷→第二入力側連結接点１３ｄ（第二連結部材１３ｆ）→第二出力側連結接点１３ｅ（第二連結部材１３ｆ）→第二出力接点１３ｂ→電源Ｖという閉ループが形成され、無接点スイッチ２を介して負荷に電力を供給する。このように通常時の電力供給は、無接点スイッチ及び遮断部を介して行う。なお、無接点スイッチ２の制御回路として図３（Ａ）に示す構成とした場合、一定時間経過後、無接点スイッチがオンになるようにＭＰＵなどにて制御するとよい。一方、図３（Ｂ）に示す構成とした場合、抵抗Ｒ_１とコンデンサＣ_ｔとにより、無接点スイッチをオンにするタイミングを制御することができる。即ち、回路構成により、無接点スイッチを制御可能である。
【００５０】
上記のように電力の投入開始直後には、抵抗Ｒを介して負荷に電力を供給することで、抵抗Ｒが電力エネルギーを消費することから、負荷への電力を制限することができる。従って、負荷に具えるコンデンサは、十分に充電することができ、電力の投入直後に大きな電流が流れることで負荷が破壊されるといった不具合を効果的に防止できる。即ち、本発明リレーは、従来のリレーユニットと同様に電流調整を行うことができる。
【００５１】
なお、通常時の電力供給の際は、無接点スイッチだけでなく、抵抗Ｒにも電流が流れることになるが、電流は、抵抗値が小さい無接点スイッチに主に流れることになる。
【００５２】
《電力遮断動作》
次に、負荷への電力を遮断する際の動作を説明する。電力供給時は、上記のように無接点スイッチ２、第一遮断部１０及び第二遮断部２０がオンの状態である。この状態から電力の供給を遮断する際は、まず、無接点スイッチ２をオフにする。このとき、無接点スイッチ２は、機械的な切り離しを行わないことから、アークが生じることがない。
【００５３】
次に、第一遮断部１０及び第二遮断部２０を同時にオフにするべく、駆動部１２によりベース１２ｃを駆動して、第一入力接点１１ａと第一入力側連結接点１１ｄ間、第一出力側連結接点１１ｅと第一出力接点１１ｂ間、第二入力接点１３ａと第二入力側連結接点１３ｄ間、第二出力側連結接点１３ｅと第二出力接点１３ｂ間を同時に切り離す。このとき、無接点スイッチ２を先にオフにしていることで、電流は、抵抗Ｒを介して流れることになる。即ち、供給電圧の大部分が抵抗Ｒの両端に印加されることで、第一遮断部１０及び第二遮断部２０の各接点対には、ほとんど電位差が生じない状態となっている。この状態で、第一遮断部１０及び第二遮断部２０を同時にオフにすると、アークが発生しにくい、或いは全く生じない。
【００５４】
従って、本発明リレーは、電流調整が可能であると共に、気体の密封構造を用いない簡易な構成でありながら、アークの発生を抑制することができ、短時間で遮断することができる。また、本発明リレーでは、無接点スイッチが故障するなどして供給電圧が抵抗に十分に印加されない場合であっても、第一遮断部及び第二遮断部を具えて多接点とすることで、接点対一つ当りに加わる電圧を小さくすることができるため、アークの発生を効果的に低減することが可能である。
【００５５】
［第一遮断部及び第二遮断部の制御回路を具える例１］
上記の例では、第一遮断部及び第二遮断部のオン／オフを制御する制御装置を別途設ける構成について説明したが、本発明リレーには、第一遮断部及び第二遮断部のオン／オフの制御を行う制御回路を具えていてもよい。図７は、半導体スイッチを具える制御回路の回路図である。
【００５６】
図７に示す制御回路は、無接点スイッチのオン／オフを制御すると共に、駆動部のソレノイドの動作を制御するＭＰＵと、ＭＰＵなどを駆動する電源回路と、ＭＰＵからのオン／オフ信号を受けてソレノイドの駆動電流の制御を行う半導体スイッチＱ_１とを具える。また、この制御回路は、フルブリッジトランスＴｒ、半導体スイッチＱ_１１、Ｑ_１２、Ｑ_１３、Ｑ_１５からなるフルブリッジ構成としており、無接点スイッチの制御回路への電力供給を行う。本例では、トランスＴｒによって、遮断部の制御回路の電源と、無接点スイッチの制御回路の電源とを絶縁分離する。その他、この回路は、半導体スイッチＱ_１１、Ｑ_１２にＭＰＵからの駆動信号を伝えるための半導体スイッチＱ_１４、Ｑ_１６、半導体スイッチＱ_１１の駆動電圧を与える抵抗Ｒ_１１、Ｒ_１２、半導体スイッチＱ_１２の駆動電圧を与える抵抗Ｒ_１３、Ｒ_１４、半導体スイッチＱ_１の駆動電圧を与える抵抗Ｒ_１５、Ｒ_１６を具える。本例において半導体スイッチＱ_１は、低電圧駆動タイプ（〜４Ｖ）のＮ型チャンネル電界効果形トランジスタを用いた。
【００５７】
このような制御回路は、高電圧の電源と別に具える低電圧電源（例えば、１２Ｖ）に接続されると共に、接地される。この低電圧電源に接続される端子１２ｅ’には、駆動部のソレノイドの電源端子１２ｅ、半導体スイッチＱ_１と接続される端子１２ｄ’には、ソレノイドの電源端子１２ｄがそれぞれ接続される。また、無接点スイッチの制御回路の電源端子２ａ、２ｃが、フルブリッジトランスＴｒからダイオードＤ_１１、Ｄ_１２を介して端子２ａ’、２ｃ’に接続される。
【００５８】
上記構成により、駆動部のソレノイドは、ＭＰＵからの信号により、半導体スイッチＱ_１がオン／オフすることによって、駆動電流が制御される。
【００５９】
このように駆動部の制御回路をもリレーに具えて一体化した構成とすると、自動車などに取り付ける際の作業性がよく好ましい。
【００６０】
［第一遮断部及び第二遮断部の制御回路を具える例２］
上記例１では、半導体スイッチＱ_１を具える制御回路について説明したが、機械的な遮断を行うリレーを用いた回路でもよい。図８は、機械的な遮断を行うリレーを具える制御回路の回路図である。
【００６１】
図８に示す制御回路は、基本的構成は図７に示す回路図と同様であり、無接点スイッチのオン／オフを制御すると共に、駆動部のソレノイドの動作を制御するＭＰＵと、ＭＰＵなどを駆動する電源回路とを具える。異なる点は、ＭＰＵからのオン／オフ信号により動作する半導体スイッチＱ_２と、半導体スイッチＱ_２のオン／オフにより制御されてソレノイドの駆動電流の制御を行う機械的な遮断が可能なリレーＲＬＹ_１とを具える点である。本例において半導体スイッチＱ_２は、ＮＰＮトランジスタを用いた。
【００６２】
機械的な遮断を行うリレーにより、駆動部のソレノイドのオン／オフを制御する制御回路とすることで、半導体スイッチＱ_１により制御を行う図７に示す制御回路よりも安価に作製することができる。
【００６３】
［無接点スイッチの制御回路と第一遮断部及び第二遮断部の制御回路とを具える例］
上記例１、２では、無接点スイッチの制御回路と第一遮断部及び第二遮断部の制御回路とを別々に具える例を説明したが、無接点スイッチの制御回路と、第一遮断部及び第二遮断部の制御回路とを一体の回路としてもよい。図９は、図３（Ｂ）に示す無接点スイッチの制御回路と、図７や図８に示す第一遮断部及び第二遮断部の制御回路とを組み合わせた制御回路を示す回路図である。図９では、半導体スイッチＱ_１、Ｑ_２、リレーＲＬＹ_１を省略している。
【００６４】
このように無接点スイッチの制御回路と、機械的な遮断を行う遮断部の制御回路とを一体の回路とすることで、回路の占有面積を小さくすることができると共に、両制御回路を別個に作製する必要が無く作業性に優れる。
【００６５】
［過電流が流れた際の対策１］
次に、短絡事故などが生じた際、無接点スイッチを遮断できる構成を具える制御回路を説明する。短絡事故などの事故が生じると、大きな電流が発生し、負荷に過電流が流れる恐れがある。そこで、本例の制御回路は、コンパレータを具え、コンパレータを利用して、過電流の際、無接点スイッチをオフにする構成である。図１０は、無接点スイッチの制御回路としてコンパレータを具える制御回路と第一遮断部及び第二遮断部の制御回路とを組み合わせた回路図である。
【００６６】
図１０に示す制御回路は、基本的構成は図３（Ａ）に示す無接点スイッチの制御回路と、図７又は図８に示す第一遮断部及び第二遮断部とを組み合わせた制御回路と同様である。この回路の特徴とする点は、無接点スイッチの制御回路においてコンパレータＣＯＭＰを具える点にある。以下、この点を中心に説明する。なお、図１０では、半導体スイッチＱ_１、Ｑ_２やリレーＲＬＹ_１を省略している。
【００６７】
この制御回路は、コンパレータＣＯＭＰにて無接点スイッチのソース・ドレイン間の電位差と閾電位とを比較して、ソース・ドレイン間の電位差が閾電位を超えた場合、無接点スイッチに過電流が流れたと判定し、半導体スイッチＱ_２１をオンとする。半導体スイッチＱ_２１のオンに伴い半導体スイッチＱ_２０、Ｑ_３がオンになる。この半導体スイッチＱ_３がオンとなることにより、無接点スイッチ２をオフにすることができる。
【００６８】
このように短絡事故などが生じた際、少なくとも無接点スイッチをオフにするように構成しておくと、抵抗により電力エネルギーが消費されることで、過電流が負荷にほとんど送られることがない。従って、短絡事故などによる負荷へのダメージをほとんどなくす、或いは防止することができる。また、無接点スイッチを遮断した後、更に第一遮断部や第二遮断部を遮断するように構成すると、負荷への過電流によるダメージをより確実に防止することができ、短絡事故などの事故において、負荷が損傷、破壊されることを効果的に防ぐことが可能である。
【００６９】
なお、図１０に示す回路では、ソース・ドレイン間の電位差が閾電位超になると、半導体スイッチＱ_２０がオンとなり、ダイオードＤ_２を経由して、コンパレータＣＯＭＰの出力をオンにし続けることができる。また、図１０に示す回路では、半導体スイッチＱ_３に駆動電圧を与える抵抗Ｒ_２０、Ｒ_２１、半導体スイッチＱ_３への電流を調整する抵抗Ｒ_２４及びダイオードＤ_２、半導体スイッチＱ_２０に駆動電圧を与える抵抗Ｒ_２２、Ｒ_２３、コンパレータＣＯＭＰの−側に駆動電圧を与える抵抗Ｒ_２５、Ｒ_２６、コンパレータＣＯＭＰの＋側に駆動電圧を与える抵抗Ｒ_２７、Ｒ_２８を具える。
【００７０】
［過電流が流れた際の対策２］
上記対策１では、無接点スイッチの制御回路を工夫することで、過電流が流れた際、負荷の損傷などを防止することを説明した。その他の対策としては、負荷に供給される電流を測定する電流センサ４０を具えることが挙げられる。図１１は、無接点スイッチの制御回路と第一遮断部及び第二遮断部の制御回路とを組み合わせた回路図であって、更に電流センサを具える例を示す。この制御回路は、基本的構成は図３（Ａ）に示す無接点スイッチの制御回路と、図７又は図８に示す遮断部とを組み合わせた制御回路と同様である。この回路の特徴とする点は、電流センサを具える点にある。なお、図１１では、半導体スイッチＱ_１ _、Ｑ_２やリレーＲＬＹ_１を省略している。
【００７１】
本例において電流センサ４０は、ホール素子を用いた。このような電流センサ４０は、制御回路のＭＰＵに連結して、例えば、図１１に示すように無接点スイッチの近傍に流れる電流を測定できるように配置するとよい。そして、測定した電流値をＭＰＵに送り、ＭＰＵにて規定の閾値と比較して、閾値を超える電流が流れている場合、ＭＰＵは、無接点スイッチをオフにする信号を送るように構成するとよい。
【００７２】
このように電流センサを設けることでも、短絡事故などの際の過電流による不具合を効果的に防止することができる。また、電流センサを具える場合も、無接点スイッチだけでなく、第一遮断部や第二遮断部をもオフにする構成としておくと、配線や負荷などの異常加熱などといった事態をより回避し易い。
【００７３】
図１１では、無接点スイッチの制御回路と遮断部の制御回路とが一体になった回路に電流センサを具える例を示したが、図２、３に示すように無接点スイッチの制御回路のみを具える場合に電流センサ４０を設けてももちろんよい。また、図７、８に示すように遮断部の制御回路のみを具える場合に電流センサ４０を設けてももちろんよい。
【００７４】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明直流リレーによれば、部品点数が少なく、電力投入時の電力調整を行うことができ、簡易な構成でありながら、多接点とすることでアークを効果的に低減する、或いはなくすことができるという優れた効果を奏し得る。特に、本発明リレーでは、従来のような複雑で高価な気体の密封構造を用いておらず、長期に亘り優れた遮断性能を維持することができる。更に、本発明リレーは、簡易な構成であることから、コストの低減も図ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明直流リレーの構成を模式的に示す説明図であって、（Ａ）は負荷よりも電源の高電位側に第一遮断部と無接点スイッチ及び抵抗を配置し、負荷よりも電源の低電位側に第二遮断部を配置すると共に、第一遮断部の連結接点間に無接点スイッチ及び抵抗を配置する例、（Ｂ）は負荷よりも電源の高電位側に第一遮断部と無接点スイッチ及び抵抗を配置し、負荷よりも電源の低電位側に第二遮断部を配置する例、（Ｃ）は負荷よりも電源の高電位側に第一遮断部を配置し、負荷よりも電源の低電位側に第二遮断部と無接点スイッチ及び抵抗を配置する例である。
【図２】本発明直流リレーの概略を示す回路図である。
【図３】（Ａ）は、無接点スイッチのオン／オフの制御を行う制御回路の一例を示す回路図、（Ｂ）は、（Ａ）に示す回路に更にコンデンサＣ_ｔを具える回路図である。
【図４】本発明直流リレーの概略を模式的に示す上面図である。
【図５】図４に示す本発明直流リレーの正面図である。
【図６】図４に示す本発明直流リレーの分解構成図である。
【図７】本発明直流リレーに具える第一遮断部及び第二遮断部のオン／オフの制御を行う制御回路の一例を示す回路図であり、半導体スイッチを具える制御回路である。
【図８】本発明直流リレーに具える第一遮断部お呼び第二遮断部のオン／オフの制御を行う制御回路の一例を示す回路図であり、機械的な遮断を行うリレーを具える制御回路である。
【図９】本発明直流リレーに具える制御回路の一例を示す回路図であり、無接点スイッチの制御回路と、第一遮断部及び第二遮断部の制御回路とを組み合わせた制御回路である。
【図１０】本発明直流リレーに具える制御回路の一例を示す回路図であり、短絡事故時などで無接点スイッチを遮断可能な制御回路である。
【図１１】本発明直流リレーに具える制御回路の一例を示す回路図であり、電流センサを具える回路である。
【図１２】ＨＥＶに用いられている従来のリレーユニットを説明する概略回路図である。
【符号の説明】
１直流リレー２無接点スイッチ２ａ、２ｃ電源端子２ａ’、２ｃ’ 端子
１０第一遮断部１０Ａ、１０Ｂ、１１Ａ、１１Ｂ端子１１ａ第一入力接点
１１ｂ第一出力接点１１ｃ第一連結接点１１ｄ第一入力側連結接点
１１ｅ第二出力側連結接点１２駆動部１２ａソレノイド１２ｃベース
１２ｄ、１２ｅ電源端子１２ｄ’、１２ｅ’ 端子１２ｆ、１２ｇ導電性部材
２０第二遮断部１３ａ第二入力接点１３ｂ第二出力接点
１３ｃ第二連結接点１３ｄ第二入力側連結接点１３ｅ第二出力側連結接点
１３ｆ第二連結部材
４０電流センサ
１００リレーユニット１０１第一リレー１０２第二リレー１０３第三リレー
１０４抵抗１０５電源１０６サービスプラグ１０７電圧ヒューズ

Claims

電源と負荷とに接続されて負荷への電力の供給を遮断可能な直流リレーであって、
前記電力の供給を遮断可能な無接点スイッチと、
前記無接点スイッチと直列に接続されると共に、機械的に遮断可能な第一遮断部及び第二遮断部と、
前記無接点スイッチと並列に接続される抵抗とを具え、
前記第一遮断部及び第二遮断部のいずれか一方は、負荷よりも電源の高電位側に配置され、他方は、負荷よりも電源の低電位側に配置されることを特徴とする直流リレー。
負荷に電力を供給する際は、無接点スイッチをオフ、第一遮断部及び第二遮断部をオンにし、一定時間後、無接点スイッチをオンにして負荷に電力を供給し、
負荷への電力供給を遮断する際は、無接点スイッチをオフにした後、第一遮断部及び第二遮断部を同時にオフにするように構成されたことを特徴とする請求項１に記載の直流リレー。
更に、第一遮断部及び第二遮断部の開閉動作を制御する第一制御回路、及び無接点スイッチのオン／オフを制御する第二制御回路の少なくとも一方を具えることを特徴とする請求項１又は２に記載の直流リレー。
第二制御回路は、第一遮断部及び第二遮断部をオンにした時間よりも無接点スイッチをオンにする時間を遅らせるための抵抗Ｒ_１とコンデンサとを具えることを特徴とする請求項３に記載の直流リレー。
第二制御回路は、無接点スイッチの電位と閾電位とを比較する比較器を具え、無接点スイッチの電位が閾電位を超えた際、無接点スイッチに過電流が流れたと判定し、無接点スイッチをオフにするように構成されたことを特徴とする請求項３に記載の直流リレー。
更に、負荷に供給される電流を測定する電流センサを具え、過電流が流れた際、少なくとも無接点スイッチをオフにするように構成されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の直流リレー。