JP2007046992A - 電気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 電源からの電力を負荷に伝えるコネクタに起きる接続異常を稼動中（負荷電流が変動）でも、常時、迅速、適正に検知すること。
【解決手段】 電源からコネクタ２０へ繋がる電源線に設けた基準抵抗１０の両端をオペアンプ (1) １１に入力する。又コネクタ２０の両端をオペアンプ (2) ２１の入力に接続する。オペアンプ (1) 、(2) からの信号を各々コンパレータ (1) ３１に入力する。コンパレータ (1)３１は、閾値動作を行い、かつ正帰還抵抗３３によりヒステリシス（＋と−方向の入力変化に対して異なる閾値をとる）を持つ。この回路構成により、通電中であっても、負荷電流の変動に関係なく接続異常を検知でき、又ヒステリシスを持つので、閾値の幅で微細な入力の変動による出力への影響を抑制し、安定した２値の異常信号を出力する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、負荷に電源部からの電力を伝える接続部（コネクタ等）の接続異常を検知する手段を備えた電気装置に関し、稼動中に負荷が変動する状態であっても、常時、接続異常を迅速、適正に検知し、機械のダウンタイムの削減を可能とするものに関する。

従来から、諸種の電気装置において、電源部、電力の供給を受ける負荷部をユニット化し、両者の間を接点やコネクタ等の接続部を介して接続し、負荷部に電力を供給する構成が採用される。この構成を採用する装置では、端子の劣化や接続操作の際の人為的な要因等により、接続部における接続状態が不良になることがあり、接続不良が起きると、接触抵抗が増加し、発熱や最悪のケースでは、焼損といった問題が生じる。
こうした接続不良により生じる問題を未然に防ぐために、接続の異常を検知する手段がこれまでにも、提案されており、下記特許文献１〜５を例示することができる。
特許文献１は、電力供給線の電流を予め設定された正常時の値と比較し、正常時の範囲を外れた場合に、断線・接触不良による異常状態と判定して電力供給を遮断する制御を行うものである。
特許文献２は、センサーを装置本体の回路部に接続するコネクタの接触抵抗を検出するために整流素子をセンサーに並列接続し、整流素子をへて装置本体側からセンサの動作の影響を受けない電流を流すようにし、そのときに接続状態を知ることができる検出値を得るようにするものである。
特許文献３は、嵌合によって接続する電源コネクタの両端の電位差を予め設定された所定値と比較し、この値を超えた場合に、コネクタの劣化を感知し、電源の供給を停止するものである。
特許文献４は、電源を電力機器に接続するコネクタに正常時に流れる消費電流を記憶し、動作時の消費電流がある値を下回った場合、接続不良と判断して、動作を停止するものである。
特開２０００−１８２１６３号公報 特開２０００−２１４２０８号公報 特開２００２−１３４９６４号公報 特開２００４−１０３３２７号公報

しかしながら、上記特許文献１では、予め設定された正常時の電流と比較することによりコネクタの接続の異常を検知しているが、正常時の電流の状態は、負荷の状態によって千差万別の値を示すものであって、一定の値を示すのは稀で、このために誤った検知結果を導く、という問題が生じる。また、この問題を回避するために、ある程度の期間の平均電流値から接続異常を判断する方法を採ることが可能であるが、この場合は、タイムラグが生じて迅速な対応ができない。
特許文献２では、整流素子をセンサーに並列接続し、整流素子をへて装置本体側からセンサの動作の影響を受けない電流を流すようにし、そのとき得られた電位から接触抵抗を求めるように制御している。従って、幾つかの手順を踏まないと結果が分からないので、装置本体が稼動状態を維持できない。
特許文献３では、接続する電源コネクタの両端の電位差を予め設定された所定値と比較し、この値を超えた場合に電源の給電を停止するとしているが、電源コネクタ両端の電位差は接触抵抗だけでなく、通電電流にも依存するので、上記所定値というのは、想定できる範囲で最適な値とするしかなく、厳密な設定が困難である。
特許文献４では、動作時の消費電流を予め設定された正常時に流れる消費電流と比較し、設定電流を超えた場合に接続不良と判断するので、負荷が変動するような装置には不向きであり、期間の平均電流値から接続異常を判断する方法を採るようにすると、負荷の変動にある程度対応可能となるが、タイムラグが生じて迅速な対応ができない。
本発明は、電源部からの電力を負荷に伝える接続部（コネクタ等）を有する電気装置の接続部に起きる接続異常の検知における上記した従来技術の問題に鑑み、これを解決するためになされたもので、負荷（通電）電流が変動する、といった装置が稼動中の状態であっても、常時、接続異常を迅速、適正に検知することができ、装置のダウンタイムの削減を可能とすることを解決すべき課題とする。

請求項１の発明は、電源部と、前記電源部から電力の供給をうける負荷部と、前記負荷部に前記電源部からの電力を伝えるための接続部を有し、前記接続部における接続異常を検知する異常検知手段を備えた電気装置であって、前記異常検知手段は、前記接続部への電源線に基準抵抗を設け、通電時に前記接続部の両端に生じる電位差と前記基準抵抗の両端に生じる電位差を比較入力とする比較回路を備えたことを特徴とし、このようにすることによって上記課題を解決するものである。
請求項２の発明は、請求項１に記載された電気装置において、前記比較回路は、ヒステリシスを持たせた閾値動作を行う回路であることを特徴とし、このようにすることによって上記課題を解決するものである。
請求項３の発明は、請求項１又は２に記載された電気装置において、前記比較回路における閾値を調整する手段を備えたことを特徴とし、このようにすることによって上記課題を解決するものである。
請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載された電気装置において、前記異常検知手段は、前記基準抵抗の両端に生じる電位差と過電流を検知するための参照電圧を入力とし、過電流を検知するための閾値動作を行う過電流検知用比較回路を備えたことを特徴とし、このようにすることによって上記課題を解決するものである。
請求項５の発明は、請求項４に記載された電気装置において、前記異常検知手段は、前記比較回路で検知した異常信号と前記過電流検知用比較回路で検知した異常信号の論理和を検知結果として出力する手段であることを特徴とし、このようにすることによって上記課題を解決するものである。
請求項６の発明は、請求項1乃至５のいずれかに記載された電気装置において、前記異常検知手段で検知した異常信号によって、異常警報、前記電源の供給停止の少なくとも一方を行う異常制御手段を備えたことを特徴とし、このようにすることによって上記課題を解決するものである。

本発明によると、接続部への電源線に基準抵抗を設け、通電時（稼動中）に接続部の両端に生じる電位差と基準抵抗の両端に生じる電位差を比較し、即ち接続部の抵抗変化を基準抵抗と相対的に比較する検知方式により、接続の異常を常時、検知するようにしたことによって、装置が稼動中に接続異常を迅速、適正に検知することができ、装置のダウンタイムの削減が可能なる。しかも、比較回路にヒステリシスを持たせた閾値動作を行う回路を用いることにより、装置が稼動中、検知レベル付近で電流の変動があっても、検知出力が不安定になることがなく、接続異常を適正に検知することが可能になる。
また、閾値を調整することにより、用途に応じて検知動作を最適化することが可能になる。
また、過電流による異常の検知も可能とし、特に接続異常の検知と過電流の検知の論理和を検知結果として出力するようにしたことにより、通電時（稼動中）の異常の監視を高度化し、装置の障害防止をより完全に行うことが可能になる。

以下に、本発明の電気装置に係わる実施形態を説明する。
本発明は、電源部、電力の供給を受ける負荷部をユニット化し、接点やコネクタ等の接続部を介して電源から負荷部に電力を供給する構成を採用する電気装置に係わる。此の種の電気装置の接続部に起きる接続異常は、装置の正常な動作の障害になり、又発熱、焼損といった問題を起こすことから、接続異常を検知する手段が提案されている。ただ、従来技術は、いずれも正常時の通電電流値或いは接触抵抗に対応する値を予め絶対値として設定し、異常をチェックするものであったり、異常を検知するために特別な手順や操作を必要とするものであり、装置が稼動中にあり、負荷の変動に適応し得るものではない（上記［発明が解決しようとする課題］の項、参照）。
そこで、本発明は、装置が稼動中、即ち、変動する負荷に対応して通電電流が変化する状態であっても、常時、接続異常を迅速、適正に検知し得る手段を備えた装置を提案するもので、このために、接続部への電源線に基準抵抗を設け、通電時（稼動中）に接続部の両端に生じる電位差と基準抵抗の両端に生じる電位差を比較する回路を基本構成とする接続異常の検知部を備える。

図１は、上記の基本構成に従う接続異常検知部の実施形態に係わる回路構成を示す図である。なお、図１に示す回路構成は、装置の要部として、接続異常検知部に係わる部分のみを示すもので、同図には、接続異常の検知出力を用いる制御回路を含め、装置全体の構成は示されていない。
図１において、電源（＋24V）は、電力の供給を受ける負荷ユニット１００にコネクタ２０を介して接続される。この例では、電源を本体側に持ち、コネクタ２０のピン (1) より負荷ユニット１００に電源を供給している。負荷電流は、図示しないGND線で＋側と同様に、コネクタで接続されている。GND線側にも同様の電流が流れるので、同様の回路構成の異常検知部を設ける。ここでは、＋側の回路に着目して、構成及び動作を説明する。
電源からコネクタ２０へ繋がる本体側の電源線に既知の抵抗値を持つ基準抵抗１０を設け、基準抵抗１０の両端をオペアンプ (1) １１の入力に接続する。オペアンプ (1) １１は、図示のＡ点を基準に基準抵抗１０の両端の電位差を出力する。この実施形態では、抵抗１３を介して基準抵抗１０の電源側の端子をオペアンプ (1) １１の−入力端子に接続するとともに、この−入力端子に帰還抵抗１５を接続することにより、オペアンプ (1) １１を反転増幅器として働かせる。

また、コネクタ２０の両端をオペアンプ (2) ２１の入力に接続する。オペアンプ (2) ２１は、図示のＢ点を基準にコネクタ２０の両端の電位差を出力する。この実施形態では、抵抗２３を介してコネクタ２０の電源側の端子をオペアンプ (2) ２１の−入力端子に接続するとともに、この−入力端子に帰還抵抗２５を接続することにより、オペアンプ (2) ２１を反転増幅器として働かせる。なお、オペアンプ (2) ２１の＋入力端子にアースに繋がる抵抗２７を設ける。
オペアンプ (1) １１の出力とオペアンプ (2) ２１の出力をコンパレータ３０に入力し、基準抵抗１０の両端の電位差とコネクタ２０の両端の電位差、それぞれに対応する電圧同士を比較する。本実施形態では、コンパレータ３０として閾値動作を行うものを用い、接続が正常であるか、異常であるかを示す２値の信号を比較結果として出力する。なお、この動作については、後記で詳述する。
また、コンパレータ３０の出力には、＋3.3Vの電源線から抵抗５１を介して制御用の信号に必要な電圧が加えられる。

上記のように構成する接続異常検知部において、基準抵抗１０は、既知の抵抗値（本実施形態では 1 Ω）を持つので、その両端の電圧とコネクタ２０におけるピン (1) の両側の電圧とを比較すれば、通電（負荷）電流の変動にかかわらず、ピン (1) の接触抵抗（接続状態に依存する抵抗値）の変化を把握することができる。
オペアンプ (1) １１は、図１に示すＡ点を基準に基準抵抗１０の両端の電位差を出力する。また、オペアンプ (2) ２１は、図１に示すＢ点を基準にコネクタ２０におけるピン (1)の両側の電位差を出力する。本例では、オペアンプ (1) １１の−入力端子への電源側の抵抗１３と帰還抵抗１５は、それぞれ10Kであるから、増幅率＝1 （なお、増幅率＝帰還抵抗１５／電源側の抵抗１３）である。また、オペアンプ (2) ２１の−入力端子への電源側の抵抗２３と帰還抵抗２５は、それぞれ10K，100Kであるから、増幅率＝10である。したがって、下記式 (1) 及び式 (2) が成り立つ。
オペアンプ (1) の出力 ＝ ＶA −（ 24 −ＶA ）＝ 2ＶA − 24 ‥ 式 (1)
オペアンプ (2) の出力 ＝ ＶB − 10（ＶA −ＶB ）＝ 11ＶB − 10ＶA ‥ 式 (2)

コネクタ２０におけるピン (1) の接触抵抗は、通常、数十ｍΩである。仮に、この接触抵抗を 50 ｍΩとすると、負荷電流 1A のとき、ＶA は 23 V で、ＶB は 22.95 V なので、この値を上記式 (1) 及び式 (2) に用い、出力を求めると、
オペアンプ (1) の出力 ＝ 22.0 V
オペアンプ (2) の出力 ＝ 22.45 V
で、オペアンプ (1) の出力 ＜ オペアンプ (2) の出力となって、この実施形態（図１）のように接続されたコンパレータ３０の出力は、オープン状態で 10 ｋΩでプルアップされた状態となる。
他方、接触抵抗が増加して、オペアンプ (2) ２１の出力が低下していき、コンパレータ３０の出力が反転する（即ち、オペアンプ (1) の出力 ＞ オペアンプ (2) となる）とき、下記式 (3) が成り立つ。
2ＶA − 24 ＝ 11ＶB − 10ＶA ‥ 式 (3)
この時の負荷電流をＩとして、接触抵抗をＸとすると、
ＶA ＝ 24 −Ｉ・ 1 ‥ 式 (4)
ＶA −ＶB ＝Ｉ・Ｘ ‥ 式 (5)
となる。なお、式 (4) における“Ｉ・ 1 ”は、 本実施形態の基準抵抗１０の抵抗値 1 Ωによる電位降下によるものを表す。
上記式 (3) 〜 (5)より、
Ｘ＝ 1 ／ 11 （Ω）
を求めることができる。つまり、接触抵抗Ｘが、約９０ｍΩ（ 1 ／ 11 ≒ 0.09 Ω）に増加したとき、コンパレータ出力が反転する。この回路では、コンパレータ出力は＋３．３Ｖでプルアップされている。したがって、ＴＴＬレベル等のロジック回路に接続して用いるのに適した出力となり、ロジック回路を通じて警告表示や電源供給停止などの制御を行うための信号として利用される。

次に示す実施形態は、上記した接続異常検知部（図１）をベースに、検知出力を安定化させるための手段を付加することにより、検知機能の改善を図ることを可能にするものである。
図１に示した接続異常検知部に用いたオペアンプ (1) １１とオペアンプ (2) ２１の出力は、負荷（通電）電流の影響を受けて変動する。さらに、コネクタ２０におけるピン (1) の接触抵抗も変動要因となって、オペアンプ (2) ２１の出力に影響する。したがって、オペアンプ (1) １１とオペアンプ (2) ２１からの信号を入力とするコンパレータ３０で行われる閾値動作によって出力される接続異常の検知信号も不安定になる。この結果、異常検知信号に従って行われる警告表示や電源供給停止などの制御に不具合が生じる。
そこで、次に示す実施形態では、オペアンプ (1) １１とオペアンプ (2) ２１からの信号を入力とするコンパレータとして、ヒステリシスを持たせた閾値動作を行う回路を用いる。
図２は、本実施形態に係わる接続異常検知部の回路構成を示す図である。
なお、図２に示す接続異常検知部は、図１に示した回路をベースにしており、Ａ点を基準に基準抵抗１０の両端の電位差を出力するオペアンプ (1) １１及びＢ点を基準にコネクタ２０におけるピン (1)の両側の電位差を出力するオペアンプ (2) ２１に係わる回路構成に相違はない。したがって、本実施形態において改良された構成部分以外の図１と同一の上記回路構成部分についての説明は、図１の説明を参照することとし、ここでは記載を省略する。

図２に示す回路構成において、ヒステリシスを持たせた閾値動作を行うコンパレータは、コンパレータ (1) ３１である。このコンパレータ (1) ３１は、正帰還させることによってヒステリシスを持った閾値動作を行う。このために帰還抵抗３３を設ける。また、所定の閾値を帰還抵抗３３の抵抗値との関係によって設定するために、オペアンプ (2) ２１からコンパレータ (1) ３１の＋入力端子への入力ラインに抵抗３５を設ける（即ち、入力ラインの抵抗３５に対する帰還抵抗３３の抵抗値の比によってヒステリシス特性を変更可能とする）。
このように、抵抗３５に対する帰還抵抗３３の抵抗値の比によって可変設定されるヒステリシス（＋と−方向の入力変化に対して異なる閾値をとる）特性によって、閾値の幅で微細な入力の変動による出力への影響を抑制し、出力の安定化を図ることを可能にする。
また、図２に示す回路構成では、ヒステリシスを持たせたコンパレータ (1) ３１の 2 値レベルの出力をＴＴＬ（Transistor-Transistor Logic）レベル等のロジック回路に整合する2 値レベルの出力に変換させるインタフェースを備え、この接続異常検知回路の出力を直接制御用の信号として利用できるようにしている。このインタフェースは、コンパレータ (2) ４１を用いるもので、このコンパレータ (2) ４１の＋入力端子にコンパレータ (1) ３１の出力ラインを接続する。また、＋24V電源を、１つは抵抗４３（ 10K Ω）を介してコンパレータ (1) ３１の上記出力ラインに接続し、もう１つは、アースに繋がる抵抗４５，４７の中間で（この例では、抵抗４５，４７はそれぞれ10K Ωの同一値を持つ）コンパレータ (2) ４１の−入力端子に接続する。
コンパレータ (2) ４１を用いたこのインタフェースによって、先の実施形態（図１）におけるコンパレータ３０からの出力と同様の 2 値レベルの検知信号を出力することを可能にする。

次に示す実施形態は、上記した接続異常検知部（図１、図２）において、検知動作に用いる閾値を可変するための手段を付加することにより、検知機能の最適化を可能にするものである。
オペアンプ (1) １１の出力（Ａ点を基準に基準抵抗１０の両端の電位差を示す）と、オペアンプ (2) ２１の出力（Ｂ点を基準にコネクタ２０におけるピン (1)の両側の電位差を示す）を比較するコンパレータ３０（図１）／コンパレータ (1) ３１（図２）は、本例では、オペアンプ (2) ２１の出力を閾値として比較動作を行い、この結果を接続異常の検知結果として出力するものである。このコンパレータの比較出力が、接続異常の適正な検知結果を示すためには、それぞれの回路やデバイスに適合し、又用途によって検知特性を変える場合には、検知特性に合った閾値を設定する必要がある。
そこで、本実施形態では、閾値を可変設定するために、オペアンプ (2) ２１の出力を操作により可変し得るようにする。具体的には、オペアンプ (2) ２１の帰還抵抗２５を可変抵抗として、簡単な操作によりこの抵抗値を調整することにより、適正な異常検知を可能にする閾値としてのアンプ出力を得る。
このとき、反転増幅器として働くオペアンプ (2) ２１は、可変にした帰還抵抗２５の抵抗値に比例して出力レベルが高くなる。従って、帰還抵抗２５の抵抗値を可変して、オペアンプ (2) ２１の出力レベルを高抵させ、この出力を回路のデバイス特性や用途に適合した閾値としてコンパレータ３０（図１）／コンパレータ (1) ３１（図２）に入力することにより、異常検知の最適化が可能になる。

次に示す実施形態は、上記した接続異常検知部（図１、図２）をベースに、過電流を検知するための手段を付加することにより、異常検知機能の高度化を図ることを可能にするものである。
上記した接続異常検知部（図１、図２）は、負荷（通電）電流の変動に関係なく、コネクタ２０の接続異常を検知するものであり、異常の検知信号により警告表示や電源供給停止などの制御を行う。しかしながら、実際には、警告表示や電源供給停止などの制御を行う異常検知は、コネクタの接続異常に留まらず、通電時に負荷（通電）電流が過大になる過電流検知による制御を必要とする場合がある。
そこで、上記した接続異常検知部（図１、図２）において、接続異常を検知するための回路の一部を利用することにより、容易に過電流の検知機能を付加することが可能である、という発想に基づいて、この実現を図り、警告表示や電源供給停止などの制御に用いる異常の検知機能の高度化に対する要求に応えることを可能にする。
具体的には、Ａ点を基準に基準抵抗１０の両端の電位差を示すオペアンプ (1) １１の出力は、負荷（通電）電流の変化を示すので、オペアンプ (1) １１の出力を別の（即ち、図１のコンパレータ３０や図２のコンパレータ (1) ３１とは別の）コンパレータ（図示せず）で過電流の閾値による比較動作を行う。
この時に用いるコンパレータの構成は、予め実験的に求めた検知したい過電流値に対応する閾値電圧をコンパレータの＋入力端子に発生させ、オペアンプ (1) １１の出力を−入力端子に接続するもので良い。このような回路構成により、過電流の検知結果を２値信号の出力として得ることができる。

次に示す実施形態は、過電流を検知するための手段を付加した異常検知部を示した上記実施形態における制御用信号の出力に関する。
上記したように、過電流の検知回路を付加することにより、接続異常と過電流の検知が可能になり、各々の異常検知は、独立に制御信号として、装置に適した態様で異常処理に用いることにより、異常の検知機能の高度化を図ることが可能になる。
ただ、異常によって引き起こされる様々な障害をより完全な形で未然に防ぐようにする場合には、どちらか一方でも異常が検知された場合、これに対応して警告表示や電源供給停止などの制御を行うことが望まれる。
そこで、こうした異常検知の出力動作を可能とする手段を異常検知部に付加した実施形態について例を示す。
本例では、上記した接続異常検知部（図１、図２）によるコネクタ２０の接続異常の検知信号出力と上記した過電流検知回路（図示せず）による負荷（通電）電流に起きる過電流の検知信号出力とをＴＴＬ等のゲート回路で論理和（ＯＲ論理）をとり、両方の異常検知信号の合成出力を得るようにし、この目的を実現する回路手段とする。なお、ＴＴＬ等のゲート回路で論理和をとるためには、過電流検知回路の検知信号出力も、接続異常検知部（図１、図２）に示した接続異常の検知信号出力と同様に、ＴＴＬレベル等のロジック回路に接続して用いるのに適した出力にすることが必要である。

本発明の実施形態に係わる接続異常検知部の回路構成を示す。 図１に示す接続異常検知部を基本構成として、検知出力信号を安定化させる構成を付加した実施形態に係わる回路を示す。

符号の説明

１０・・基準抵抗、１１・・オペアンプ (1)、１５・・帰還（負帰還）抵抗、２０・・コネクタ、２１・・オペアンプ (2)、２５・・帰還（負帰還）抵抗、３０・・コンパレータ、３１・・コンパレータ (1)、３３・・帰還（正帰還）抵抗、１３・・コンパレータ (2)、１００・・負荷ユニット。

Claims (6)

1. 電源部と、前記電源部から電力の供給をうける負荷部と、前記負荷部に前記電源部からの電力を伝えるための接続部を有し、前記接続部における接続異常を検知する異常検知手段を備えた電気装置であって、前記異常検知手段は、前記接続部への電源線に基準抵抗を設け、通電時に前記接続部の両端に生じる電位差と前記基準抵抗の両端に生じる電位差を比較入力とする比較回路を備えたことを特徴とする電気装置。
2. 請求項１に記載された電気装置において、前記比較回路は、ヒステリシスを持たせた閾値動作を行う回路であることを特徴とする電気装置。
3. 請求項１又は２に記載された電気装置において、前記比較回路における閾値を調整する手段を備えたことを特徴とする電気装置。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載された電気装置において、前記異常検知手段は、前記基準抵抗の両端に生じる電位差と過電流を検知するための参照電圧を入力とし、過電流を検知するための閾値動作を行う過電流検知用比較回路を備えたことを特徴とする電気装置。
5. 請求項４に記載された電気装置において、前記異常検知手段は、前記比較回路で検知した異常信号と前記過電流検知用比較回路で検知した異常信号の論理和を検知結果として出力する手段であることを特徴とする電気装置。
6. 請求項1乃至５のいずれかに記載された電気装置において、前記異常検知手段で検知した異常信号によって、異常警報、前記電源の供給停止の少なくとも一方を行う異常制御手段を備えたことを特徴とする電気装置。

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