JP2014072070A - 表示灯付きスイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】非線形なインピーダンス特性を有するＬＥＤを光源として用いた表示灯付きスイッチにおいて、負荷電流が小さい場合であっても、表示灯をより明るく点灯させることを目的とする。
【解決手段】可動接点１６ａ及び固定接点１８ａを備え、ユーザのハンドル操作により開閉される開閉接点部と、環状コア２０に巻回された一次巻線２１及び二次巻線２２を有するトランス２と、トランスの二次巻線の両端に接続された表示灯１７を備えた表示灯付きスイッチ１において、表示灯１７は、非線形なインピーダンス特性を有するＬＥＤを光源とし、商用電源の半周期において、電圧ピークを過ぎた後、該半周期が終了するまでの間にトランスが磁気飽和を起こすように、トランス２の二次巻線２２の巻数が設定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、負荷の動作状態を表示するための表示灯付きスイッチ、特に、負荷がオンしているときに表示灯を点灯させるためのトランスに関する。

従来から、負荷の動作状態、例えば照明装置が点灯しているか又は消灯しているかを表示するための表示灯（パイロットランプ）付きのスイッチが実用化されている（特許文献１参照）。図１２は、表示灯付きスイッチ１の基本的な回路構成を示す。このスイッチは、ユーザによるハンドル操作に応じて開閉される開閉接点部１０と、環状のコア２０に一次巻線２１及び二次巻線２２がそれぞれ巻回されたトランス２と、開閉接点部１０の可動接点及び固定接点に並列に接続された第１表示灯３と、トランスの二次巻線に接続された第２表示灯４を備えている。開閉接点部１０とトランス２の一次巻線の直列接続体は、負荷５及び商用電源６に直列に接続されている。開閉接点部１０が開状態、すなわち負荷５がオフ状態のとき、電流は、商用電源６、第１表示灯３、トランス２の一次巻線２１、負荷５の順に流れ、第１表示灯３が点灯（正確には点滅）する。この場合、第１表示灯３に直列接続されている抵抗体８のインピーダンスを大きくして、負荷５が誤ってオンしないようにしている。また、トランス２の二次巻線２２にはほとんど誘導起電力が誘起されないため電流が流れず、第２表示灯４は点灯しない。一方、開閉接点部１０が閉状態、すなわち負荷５がオン状態のとき、電流は、商用電源６、トランス２の一次巻線２１、負荷５の順に流れる。この場合、トランス２の一次巻線２１のインピーダンスは小さいので、負荷５に大電流が流れ、トランス２の二次巻線２２にも第２表示灯４を点灯させうるだけの電流が流れる。例えば、第１表示灯３を緑色ＬＥＤとし、第２表示灯４を赤色ＬＥＤとしている。

表示灯付きスイッチの制御対象である照明装置に関して、白熱電球からＬＥＤ電球への置き換えが急速に進んでいる。ＬＥＤ電球は消費電力がとても少ないので、ＬＥＤ電球が点灯している状態でも、トランス２の一次巻線２１に流れる負荷電流は少ない。また、負荷電流の大きさによって第２表示灯４の明るさが変化する。さらに、第２表示灯４に使用されるＬＥＤは非線形なインピーダンス特性を有しているため、トランス２の二次巻線２２に誘起される電圧が低いと、負荷５がオンしているにも拘わらず第２表示灯４が点灯しない事態が生じる。

特開２００６−１２６３２号公報

本発明は、上記従来例の問題を解決するためになされたものであり、非線形なインピーダンス特性を有する光源を用いた表示灯付きスイッチにおいて、負荷電流が小さい場合であっても、表示灯をより明るく点灯させることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る表示灯付きスイッチは、
可動接点及び固定接点を備え、ユーザのハンドル操作により開閉される開閉接点部と、
環状コアに巻回された一次巻線及び二次巻線を有するトランスと、
前記トランスの二次巻線の両端に接続された表示灯を備え、
前記表示灯は、非線形なインピーダンス特性を有する光源を用いており、
商用電源の半周期において、電圧ピークを過ぎた後、該半周期が終了するまでの間に前記トランスが磁気飽和を起こすように、前記トランスの二次巻線の巻数が設定されていることを特徴とする。

前記非線形なインピーダンス特性を有する光源はＬＥＤであり、前記商用電源の電圧の正負に拘わらず、前記表示灯が点灯することが好ましい。

前記表示灯は、単一のＬＥＤと全波整流回路で構成されていることが好ましい。

または、前記表示灯は２つのＬＥＤで構成され、一方のＬＥＤのアノードと他方のＬＥＤのカソードが接続されていることが好ましい。

トランスの二次巻線に流れる電流は、二次巻線の巻数に比例して少なくなる。一方、ＬＥＤのような非線形のインピーダンス特性を有する光源の場合、輝度が最大となる最適な電流値が存在する。従って、トランスの二次巻線の巻数を最適化することによって、少ない電流値で光源の輝度を最大にすることができる。本発明によれば、商用電源の半周期において、電圧ピークを過ぎた後、該半周期が終了するまでの間にトランスが磁気飽和を起こすように、トランスの二次巻線の巻数を設定することにより、商用電源の半周期のうちの光源が点灯している時間を長くすると共に、光源に流れる電流値を大きく、すなわち光源の輝度を高くすることができる。

本発明の一実施形態に係る表示灯付きスイッチの構成を示す分解斜視図。 光源として用いられるＬＥＤと抵抗のインピーダンス特性を示すグラフ。 トランスの二次巻線の巻数と二次巻線に流れる電流の関係を示すグラフ。 本実施形態に係る表示灯付きスイッチにおける光源としてのＬＥＤの順方向電圧／電流の変化と商用電源の半周期の関係を示すグラフ。 トランスの二次巻線の巻数と二次巻線側に流れる電流平均値の関係を示すグラフ。 トランスの二次巻線の巻数を５００巻とした場合における光源として用いられるＬＥＤに流れる電流の変化を示すグラフ。 トランスの二次巻線の巻数を１０００巻とした場合における光源として用いられるＬＥＤに流れる電流の変化を示すグラフ。 トランスの二次巻線の巻数を２０００巻とした場合における光源として用いられるＬＥＤに流れる電流の変化を示すグラフ。 トランスの二次巻線の巻数を１０００巻とした場合のＬＥＤの順方向電圧ＶＦと電流ＩＦの変化及び商用電源の半周期におけるＬＥＤの発光時間を示すグラフ。 本実施形態に係る表示灯付きスイッチの回路構成の変形例を示す図。 本実施形態に係る表示灯付きスイッチの回路構成の他の変形例を示す図。 一般的な表示灯付きスイッチの基本回路構成を示す図。

本発明の一実施形態に係る表示灯付きスイッチについて説明する。図１は、本実施形態に係る表示灯付きスイッチ１の構成を示す。図１に示すように、表示灯付きスイッチ１は、それぞれユリア樹脂などの絶縁性熱硬化性樹脂で形成されたボディ１１及びカバー１２で構成された筐体を有している。ボディ１１は、平面視で略長方形であり、その中央部に略直方体状の収納空間１１ａが設けられている。また、長手方向（Ｘ方向）における収納空間１１ａの両外側には、電線が挿入される電線挿入穴１１ｂが形成されている。電線挿入穴１１ｂは、幅方向（Ｙ方向）にそれぞれ２つずつ形成され、合計で４箇所に形成されている。ボディ１１の内部で、各電線挿入穴１１ｂの近傍には、それぞれ挿入された電線を後述する端子板に押しつけるための錠ばね１３が設けられている。また、ボディ１１の内部で、長手方向（Ｘ方向）における錠ばね１３の外側には、電線挿入穴１１ｂに挿入された電線を引き抜く際に、錠ばね１３による施錠を解除するための解錠釦１４が設けられている。これら錠ばね１３及び解錠釦１４がボディ１１に収納された後、高さ方向（Ｚ方向）における上方から、例えば２つの端子板１５及び１６が装着される。一方の端子板１６には、後述する可動接点１８ａと共に主開閉接点部を構成する固定接点１６ａが設けられている。この端子板１６の上方には、さらにＬＥＤなどが実装された回路基板（表示灯）１７が装着される。

ボディ１１の収納空間１１ａの底部には、保持枠体３０に保持されたトランス２が収納される。高さ方向（Ｚ方向）における保持枠体３０の上面３０ａは、表示灯付きスイッチ１の筐体の一部を構成し、可動接点１８ａが設けられた可動板１８、可動板１８を駆動するための反転ハンドル１９、反転ハンドル１９を所定方向に付勢するコイルばね３１などが装着可能なように、取付構造が形成されている。

反転ハンドル１９は、幅方向（Ｙ方向）に平行な軸を中心として、長手方向（Ｘ方向）及び高さ方向（Ｚ方向）で定義される平面内で、所定の角度範囲内で旋回可能である。可動板１８は、例えば保持枠体３０の上面３０ａに設けられた端子板３５に電気的に接続され、その一部分が反転ハンドル１９に係合されている。そして、反転ハンドル１９が安定してとりうる２つの姿勢に応じて、可動接点１８ａと固定接点１６ａが接触し、負荷がオンする状態と、可動接点１８ａと固定接点１６ａが離反し、負荷がオフする状態に切り換えられる。反転ハンドル１９が保持枠体３０の上面３０ａに装着されると、高さ方向（Ｚ方向）における上方から、カバー１２がボディ１１に装着され、さらにカバー１２の上面１２ａにコイルばね３２、スライドカム３３及び押釦ハンドル３４などが取り付けられ、表示灯付きスイッチ１が完成される。なお、ここでいう高さ方向（Ｚ方向）は、表示灯付きスイッチ１の組み立て工程における高さ方向であり、表示灯付きスイッチ１が造営面に設置されたあとは、Ｘ方向とＺ方向で定義される面が水平になり、Ｙ方向が垂直になる。

トランス２は、磁性材料で円環状に形成され、その外周面が樹脂で覆われたたコア２０と、コア２０の外周部から中央の円形開口２０ａを突き抜けるようにして巻回された一次巻線２１及び二次巻線２２を有している。コア２０は、例えば磁性材料で円環状に形成された芯部分と、その芯部分を完全に内部に収納しうるように、円環状の空洞が形成された絶縁樹脂性のコアケース（例えば２つに分離可能）で構成されている。また、一次巻線２１として、例えばφ０．７程度の太い線が使用され、二次巻線２２として、例えばφ０．０９程度の非常に細い線が使用される。一次巻線２１及び二次巻線２２の巻数については後述する。

回路基板１７には、表示灯付きスイッチ１における第１表示灯３及び第２表示灯４（図１２参照）の光源として用いられる、緑色ＬＥＤ及び赤色ＬＥＤが実装されている。これらのＬＥＤのうち、第２表示灯４として用いられる例えば赤色のＬＥＤが、トランス２の二次巻線２２に接続されている。一般的には、ＬＥＤを安定して発光させるために、２０ｍＡ程度の電流をＬＥＤに流す。ところが、本実施形態に係る表示灯付きスイッチ１では、トランス２の二次巻線２２に最大でも０．５〜１ｍＡ程度の電流（最小定格電流相当）しか流さないように設定されている。

図２は、ＬＥＤに抵抗体を接続した第２表示灯４の回路（図１２参照）のインピーダンス特性を示す。縦軸はインピーダンス値を、横軸は電圧値を示す。図に示すように、電圧が低いうちは、ＬＥＤのインピーダンス値は無限大を示し、電流は全く流れない。電圧が所定のオン電圧（例えば１．６Ｖ）になると、ＬＥＤのインピーダンス値が急激に低下し、さらに電圧が高くなると（例えば２Ｖ）、第２表示灯４の回路のインピーダンス値は上記抵抗体の抵抗値とほぼ同じ（一定）になる。図３は、ＬＥＤのインピーダンス特性とトランスの二次巻線の巻数と二次巻線側に流れる電流の関係を示す。縦軸は二次巻線側に流れる電流の絶対値の平均値を、横軸は二次巻線の巻数または開放電圧を示す。周知のように、トランスの二次巻線側に発生される電圧は、一次巻線と二次巻線の巻数の比で表され、一次巻線の巻数を固定したとすると、二次巻線の巻数が多いほど、二次巻線側に発生しうる電圧が高くなり、二次巻線側に流れる電流は少なくなる。図３中、直線は、トランス２の二次巻線２２に単純抵抗が接続されている場合の、二次巻線２２に流れる電流特性（参考例）を示す。また、曲線は、第２表示灯４の回路に流れる電流特性を示す。図３中、楕円で囲むＬＥＤが最も明るく光る範囲で、二次巻線の最適な巻数が存在する。

図４は、商用電源６の半周期におけるＬＥＤの順方向電圧ＶＦと電流ＩＦの関係（理想的な場合）を示す。商用電源６の電圧ゼロクロス点から、電圧が上昇すると、それに伴ってＬＥＤの順方向電圧ＶＦが上昇するが、電圧が所定のオン電圧に達するまでは、ＬＥＤのインピーダンス値は無限大を示し、電流は全く流れない。電圧がオン電圧に達すると、ＬＥＤのインピーダンス値が低下し、ＬＥＤに電流が流れ始め、それによって電圧の上昇率が低下する。図４では、商用電源の半周期において、電圧ピークを過ぎた後、その半周期が終了する直前に、トランス２が磁気飽和を起こしている。磁気飽和によってトランス２の二次巻線２２には電流が流れなくなり、ＬＥＤが点灯しなくなるが、すぐに、次の商用電源の半周期が開始される。

トランス２の二次巻線２２の巻数が少ないと、二次巻線２２側に誘起される電圧は低いが、二次巻線２２側に流れる電流値が大きくなる。一方、トランス２の二次巻線２２の巻数が多いと、二次巻線２２側に誘起されうる電圧は高くなり、二次巻線２２側に流れる電流値は小さくなる。ＬＥＤの明るさは電流の平均値によって支配されるので、二次巻線２２の巻数を少なくしてＬＥＤに大電流を流すことが好ましいが、電圧が低すぎるとＬＥＤが点灯しなくなる。また、二次巻線２２の巻数が少ないと、トランス２が早く磁気飽和を起こしてしまい、ＬＥＤの点灯時間が短くなる。二次巻線２２の巻数を多くすると、トランス２が磁気飽和を起こしにくくなるが、ＬＥＤに流れる電流が小さくなり、ＬＥＤの輝度が低くなる。従って、ＬＥＤの最適な点灯条件は、図４に示すように、商用電源の半周期において、電圧ピークを過ぎた後、その半周期が終了するまでの間にトランスが磁気飽和を起こすことである。なお、ここでいう「磁気飽和」とは、ＬＥＤが発光しなくなる状態を意味しており、「ＬＥＤの順方向電圧ＶＦが、ＬＥＤが発光を開始するオン電圧以下になること」と等価である。

次にトランス２の二次巻線２２の巻数について検討する。図５は、トランス２の二次巻線２２の巻数と、その二次巻線２２に接続されたＬＥＤに流れる電流の平均値を示す。トランス２の一次巻線２１の巻数を１４巻としている。このデータからは、トランス２の二次巻線２２の巻数として、１０００巻が最適であり、７００巻乃至１３００巻程度の範囲が好適であるといえる。

図６はトランス２の二次巻線２２の巻数を５００巻としたときのＬＥＤに流れる電流波形を、図７は二次巻線２２の巻数を１０００巻としたときのＬＥＤに流れる電流波形を、図８は二次巻線２２の巻数を２０００巻としたときのＬＥＤに流れる電流波形を示す。商用電源の周波数を６０Ｈｚとしている。これらの図を比較して、図６に示す二次巻線２２の巻数が５００巻のときは、二次巻線２２側に大電流（例えば１．２ｍＡ程度）が流れ、商用電源の電圧ピーク付近で磁気飽和を起こしており、電流波形が三角波となっている。その結果、ＬＥＤの点灯時間が短くなっている。それに対して、図７に示す二次巻線２２の巻数が１０００巻のときは、二次巻線２２側に流れる電流は１ｍＡ程度とやや小さくなっているが、商用電源の半周期の終了直前に磁気飽和を起こしており、電流波形が比較的正弦波に近い形状をしている。その結果、ＬＥＤの点灯時間は５００巻のときよりも長くなっている。図８に示す二次巻線２２の巻数が２０００巻のときは、二次巻線２２側に流れる電流値が０．５ｍＡ程度と小さく、商用電源の半周期の間でトランスは磁気飽和を起こしていない。これら図６乃至図８からも、トランス２の二次巻線２２の巻数として、１０００巻が最適であり、７００巻乃至１３００巻程度の範囲が好適であるといえる。なお、これらトランス２の二次巻線２２の巻数の最適値又は好適値は、商用電源の電圧、一次巻線２１の巻数、トランス２を構成するコアの磁性材料の比透磁率や形状などに依存するため、あくまでも例示に過ぎない。図９は、トランス２の二次巻線２２の巻数を１０００巻としたときのＬＥＤの順方向電圧ＶＦと電流ＩＦを示す。図９からわかるように、商用電源の半周期の間でＬＥＤが発光している時間が比較的長い（この場合約７５％）ことがわかる。例えば、商用電源の半周期の間でＬＥＤが発光している時間が５０％以上であれば好ましい。

図１２に示す表示灯付きスイッチ１の基本的な回路構成では、商用電源の一周期中、第２表示灯４のＬＥＤが点灯している時間は、その半周期のうちのオン電圧以上の時間だけである。図１０に示す変形例では、トランス２の二次巻線２２に全波整流回路９を接続し、その全波整流回路９の出力端に第２表示灯４のＬＥＤを接続している。それによって、商用電源の一周期中、第２表示灯４のＬＥＤが点灯している時間を２倍にすることができ、第２表示灯４の実効輝度を高くすることができる。また、図１１に示す他の変形例では、第２表示灯４を２つのＬＥＤで構成し、一方のＬＥＤのアノードと他方のＬＥＤのカソードを接続している。このような構成により、２つのＬＥＤが商用電源の半周期ごとに交互に点滅し、第２表示灯４の実効輝度を高くすることができる。特に、制御対象である負荷５として、消費電力の少ないＬＥＤ電球が用いられた場合、トランス２の一次巻線２１に流れる負荷電流が小さく、それに伴って、二次巻線２２に流れる小さくなり第２表示灯４のＬＥＤの発光輝度も小さくなる。そのため、第２表示灯４のＬＥＤの発光時間を長くすることによって、第２表示灯４の明るさを確保することができる。

以上説明したように、本実施形態の構成によれば、商用電源の半周期において、電圧ピークを過ぎた後、該半周期が終了するまでの間にトランスが磁気飽和を起こすように、トランスの二次巻線の巻数を設定することにより、商用電源の半周期のうちの光源が点灯している時間を長くすると共に、光源に流れる電流値を大きく、すなわち光源の輝度を高くすることができる。それによって、制御対象である負荷として、消費電力の少ないＬＥＤ電球が用いられた場合であっても、表示灯の明るさを確保することができる。

１ 表示灯付きスイッチ
２ トランス
３ 第１表示灯
４ 第２表示灯
５ 負荷
６ 商用電源
１７ 回路基板（表示灯）
２０ コア
２１ 一次巻線
２２ 二次巻線

Claims (4)

1. 可動接点及び固定接点を備え、ユーザのハンドル操作により開閉される開閉接点部と、
   環状コアに巻回された一次巻線及び二次巻線を有するトランスと、
   前記トランスの二次巻線の両端に接続された表示灯を備え、
   前記表示灯は、非線形なインピーダンス特性を有する光源を用いており、
   商用電源の半周期において、電圧ピークを過ぎた後、該半周期が終了するまでの間に前記トランスが磁気飽和を起こすように、前記トランスの二次巻線の巻数が設定されていることを特徴とする表示灯付きスイッチ。
2. 前記非線形なインピーダンス特性を有する光源はＬＥＤであり、前記商用電源の電圧の正負に拘わらず、前記表示灯が点灯することを特徴とする請求項１に記載の表示灯付きスイッチ。
3. 前記表示灯は、単一のＬＥＤと全波整流回路で構成されていることを特徴とする請求項２に記載の表示灯付きスイッチ。
4. 前記表示灯は２つのＬＥＤで構成され、一方のＬＥＤのアノードと他方のＬＥＤのカソードが接続されていることを特徴とする請求項１に記載の表示灯付きスイッチ。

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