JP2014092484A - コネクタ及び漏電検出装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】配線ボードにおける直流電源の漏電ショートを検出する漏電検出装置を提供する。
【解決手段】漏電検出装置は、直流電源の電源が接続される第1の端子と、直流電源のシグナルグラウンドが接続される第2の端子と、第1の端子と第2の端子との間の位置に配置されたフレームグラウンドに接続される第3の端子とを含む配線ボードと、シグナルグラウンドの電位とフレームグラウンドの電位との電位差を検出する検出回路とを含む。
【選択図】図6
【解決手段】漏電検出装置は、直流電源の電源が接続される第1の端子と、直流電源のシグナルグラウンドが接続される第2の端子と、第1の端子と第2の端子との間の位置に配置されたフレームグラウンドに接続される第3の端子とを含む配線ボードと、シグナルグラウンドの電位とフレームグラウンドの電位との電位差を検出する検出回路とを含む。
【選択図】図6
Description
本願開示は、コネクタ及び漏電を検出する装置に関する。
直流電源を使用する機器の場合、電源電圧とグラウンド電圧との間がショートしてしまうと大電流が流れる。例えば、電源コネクタ部分に結露が生じると端子間に漏電電流が流れ、その電流による発熱により基板部分の炭化が徐々に進み、その結果漏電電流が増大していく。そのような漏電ショートを防ぐためには、電源コネクタ部分のピン間距離を長くする等の対策をすることが考えられる。
一般に、漏電ショートを防止するためには、電源コネクタのピン間距離を長くする、基板における電源パタ−ンの間隔を広くする、等の対策をとる。しかしながら、そのような対策をとった機器では、サイズが大きくなったり、機器価格が高くなったりするなどの問題がある。また、大量のショート電流(例えば数十アンペア)が流れればブレーカが作動して電源が遮断されるが、漏電ショート時には比較的小さい電流量(例えば100ミリアンペア)の電流しか流れないため、ブレーカが作動しないまま徐々に漏電状態が悪化していく危険性がある。
通信機器においては、シェルフ内のバックワイヤリングボードに多数の回路基板(回路カード)が装着され、バックワイヤリングボードを介して直流電源が供給されている。そのバックワイヤリングボードの端子部において、上記のような漏電ショートが発生することは好ましくない。バックワイヤリングボードにおいては、多数の回路基板を装着することが想定されるため、電源コネクタのピン間距離を長くすることが困難であったり、また設置条件等によっては、ピン間距離を長くするだけでは漏電を完全には防げない場合もあったりする。
以上を鑑みると、配線ボードにおける直流電源の漏電ショートを検出する漏電検出装置及び漏電ショート検出に適したコネクタが望まれる。
漏電検出装置は、直流電源の電源が接続される第1の端子と、前記直流電源のシグナルグラウンドが接続される第2の端子と、前記第1の端子と前記第2の端子との間の位置に配置されたフレームグラウンドに接続される第3の端子と、を含む配線ボードと、前記シグナルグラウンドの電位と前記フレームグラウンドの電位との電位差を検出する検出回路とを含むことを特徴とする。
またコネクタは、直流電源の電源が接続される第1の端子と、前記直流電源のシグナルグラウンドが接続される第2の端子と、前記第1の端子と前記第2の端子との間の位置に配置されたフレームグラウンドに接続される第3の端子とを含むことを特徴とする。
少なくとも1つの実施例によれば、配線ボードにおける直流電源の漏電ショートを検出する漏電検出装置及び漏電ショート検出に適したコネクタが提供される。
以下に、本発明の実施例を添付の図面を用いて詳細に説明する。各図において、同一又は対応する構成要素は同一又は対応する番号で参照し、その説明は適宜省略する。
図1は、漏電検出装置を含む電子装置10の構成の一例を示す図である。電子装置10は、受電端子20−1乃至20−5、ブレーカ21−1及び21−2、バックワイヤリングボード23、及びフレームグラウンド24を含む。バックワイヤリングボード23はシェルフ内に設けられており、後述するように、複数の回路基板(基板カード)をバックワイヤリングボード23に装着することができる。例えば通信関係の回路基板をバックワイヤリングボード23に装着することで、電子装置10を通信装置として用いることができる。なお以下に説明する漏電検出装置の適用対象としては、基板カードを装着可能な配線ボードであればよく、通信装置等のシェルフ内の背面に配置されたバックワイヤリングボード23であることは、漏電検出装置の適用対象として必要な要件ではない。
外部直流電源装置11の電源及びグラウンドが受電端子20−1及び20−2に供給され、外部直流電源装置12の電源及びグラウンドが受電端子20−3及び20−4に供給される。外部直流電源装置11及び12の2個の電源は、一方の電源が故障した場合に他方の電源により電子装置10が稼動できる冗長構成を提供する。
外部直流電源装置11の供給する電源は、外部直流電源装置11の供給するグラウンドに対して−48Vの電位である。同様に外部直流電源装置12の供給する電源は、外部直流電源装置12の供給するグラウンドに対して−48Vの電位である。受電端子20−5は、電子装置10のフレームに直結されるフレームグラウンド24に接続されている。以後の説明において、フレームグラウンド24と区別するために、外部直流電源装置11及び12のグラウンドをシグナルグラウンドと呼ぶ。
シグナルグラウンドは、電子回路や電気回路に供給される電源の電圧のプラス側又はマイナス側の何れか一方の電圧側であり、電子回路や電気回路の動作の基準となる電位を与える。またフレームグラウンドは、感電防止などの保安目的のために電子機器や電気機器のフレームを大地と同電位にするためのものであり、接地線により大地に接続されて安定した電位を与える。
外部直流電源装置11の電源電圧は、ブレーカ21−1を介してバックワイヤリングボード23に供給される。外部直流電源装置12の電源電圧は、ブレーカ21−2を介してバックワイヤリングボード23に供給される。外部直流電源装置11の電源供給経路に過電流が流れると、ブレーカ21−1の遮断機能が作動して電源が遮断される。同様に、外部直流電源装置12の電源供給経路に過電流が流れると、ブレーカ21−2の遮断機能が作動して電源が遮断される。
図2は、バックワイヤリングボード23の基板に設けられた従来のコネクタの構成の一例を示す図である。バックワイヤリングボード23において、一枚の回路基板を装着する1つの装着位置に、図2に示すコネクタが1つ設けられている。図2のコネクタは、コネクタケース32、フレームグラウンドピン33、第1の電源ピン34、第2の電源ピン35、シグナルグラウンドピン36、及びコネクタ隔壁37を含む。 コネクタケース32は、各ピン(端子)を外部から遮蔽して保護するための例えば樹脂製のケースである。コネクタケース32内部にピン33乃至36が設けられ、各ピンの間はコネクタ隔壁37により隔離されている。後述するように、各ピンは、バックワイヤリングボード23の基板30に設けられた穴に、突き刺すように差し込まれて固定されている。より具体的には、基板30に設けられた穴には銅箔31が設けられており、この銅箔31に各ピンが突き刺すように差し込まれている。この銅箔31を介して、第1の電源ピン34には、外部直流電源装置11の電源が接続され、第2の電源ピン35には、外部直流電源装置12の電源が接続される。同様に、シグナルグラウンドピン36には、外部直流電源装置11及び12のシグナルグラウンドが接続される。
図2に示す従来のコネクタの構成では、フレームグラウンドピン33と第1の電源ピン34とが隣接しており、第2の電源ピン35とシグナルグラウンドピン36とが隣接している。従って、結露DWが発生すると、これらの隣接するピン(端子)間に漏電電流が流れることになる。比較的小さい電流量の漏電電流である場合、漏電電流の熱により基板の炭化が徐々に進み、ブレーカが作動しないまま、漏電電流が増大していき発熱が増大する危険性がある。
図3は、バックワイヤリングボード23の基板に設けられた本実施例のコネクタの構成の一例を示す図である。バックワイヤリングボード23において、一枚の回路基板を装着する1つの装着位置に、図3に示すコネクタが1つ設けられている。図3のコネクタは、コネクタケース42、フレームグラウンドピン43、第1の電源ピン44、第2の電源ピン45、シグナルグラウンドピン46、及びコネクタ隔壁47を含む。バックワイヤリングボード23に装着される複数の基板のそれぞれの装着位置において、これらのピン43乃至46(端子)が設けられてよい。
コネクタケース42は、各ピン(端子)を外部から遮蔽して保護するための例えば樹脂製のケースである。コネクタケース42内部にピン43乃至46が設けられ、各ピンの間はコネクタ隔壁47により隔離されている。後述するように、各ピンは、バックワイヤリングボード23の基板30に設けられた穴に、突き刺すように差し込まれて固定されている。より具体的には、基板30に設けられた穴には銅箔31が設けられており、この銅箔31に各ピンが突き刺すように差し込まれている。この銅箔31を介して、第1の電源ピン44には、外部直流電源装置11の電源が接続され、第2の電源ピン45には、外部直流電源装置12の電源が接続される。同様に、シグナルグラウンドピン46には、外部直流電源装置11及び12のシグナルグラウンドが接続される。
図3に示す本実施例のコネクタの構成では、第2の電源ピン45とシグナルグラウンドピン46との間の位置に、フレームグラウンドピン43が配置されている。このフレームグラウンドピン43が、シグナルグラウンドピン46を保護する機能を果たし、第2の電源ピン45とシグナルグラウンドピン46とが結露により直接結合される状況を発現しにくくしている。即ち結露DWが発生し、第2の電源ピン45とフレームグラウンドピン43とが電気的に接続されることはあっても、第2の電源ピン45とシグナルグラウンドピン46とが結露により直接に結合される状態にはなり難い。従って、第2の電源ピン45とフレームグラウンドピン43との間に結露を介して漏電電流が流れても、第2の電源ピン45とシグナルグラウンドピン46との間に結露を介して直接に漏電電流が流れる状況にはなり難い。また第2の電源ピン45とフレームグラウンドピン43との間に漏電電流が流れることにより、フレームグラウンドピン43のシグナルグラウンドピン46に対する相対的電位が変化する。従って、シグナルグラウンドの電位とフレームグラウンドの電位との電位差を検出する検出回路を設けることにより、漏電電流の有無を検出することが可能となる。
図4は、バックワイヤリングボード23の基板に差し込まれるピン及び回路基板側の基板に差し込まれるピンの構成の一例を示す図である。バックワイヤリングボード23の基板30には、ピン51が装着される。図3に示すピン43乃至46の各々が、ピン51と同一形状のピンであってよい。図4はピン51の上面図を示し、図3に示す各ピンはピン51を側面から見たものに相当する。ピン51は3本の先端棒状部54を有し、この先端棒状部54が基板30にその根本まで突き刺されている。ピン51は、先端棒状部54の反対側の端に、嵌合部52及び53を有する。
バックワイヤリングボード23に装着される回路基板の基板50には、ピン55が装着されている。ピン55は、3本の側部棒状部57を有し、この側部棒状部57が基板50にその根本まで突き刺されている。ピン55の先端平坦部56を、ピン51の嵌合部52と嵌合部53との間に挟むように挿入することで、ピン55とピン51とが互いに嵌合され、電気的に接続される。
より具体的には、図4に上面図が示されるピン51を側面から見ると、嵌合部52の位置と嵌合部53の位置とが上下方向にずれており、その上下方向の位置のずれにより生じる嵌合部52と嵌合部53との間の隙間に、ピン55の先端平坦部56が挟まる。前述のように、図3に示すピン43乃至46の各々はピン51を側面から見たものに相当し、厳密には図3に示すピン43乃至46の各々が、上下方向にずれた隙間のある嵌合部を有している。図3においては、そのような嵌合部の上下方向のずれや隙間を省略し、簡略化した形状によりピンを示している。
図3において4個のピン43乃至46として示されるように、バックワイヤリングボード23側の1つのコネクタについて、4個のピン51が設けられる。また回路基板側の基板50には4個のピン55が設けられ、これらのピンを例えば樹脂製のコネクタケースで覆うことにより、基板50上にコネクタが形成される。バックワイヤリングボード23と回路基板との間でのピン同士の嵌合及びコネクタケース同士の嵌合により、回路基板がバックワイヤリングボード23に装着され固定される。
図5は、回路基板側の基板に設けられるコネクタの構成の一例を示す図である。基板50に設けられるコネクタは、コネクタケース61及び4個のピン63乃至66を含む。4個のピン63乃至66の各々は、図4に示すピン55と同一形状のピンであってよい。図5に示すコネクタを図3に示すコネクタに結合させる際には、コネクタケース61とコネクタケース42とが嵌合すると共に、図5に示す4個のピン63乃至66が、図3においてそれぞれ対応する4個のピン43乃至46に嵌合される。これにより、コネクタ間の電気的接続が確立されると共に、回路基板がバックワイヤリングボード23に装着され固定される。
なお図3に示すように、第1の電源ピン44及び第2の電源ピン45は、フレームグラウンドピン43及びシグナルグラウンドピン46より、ピンの長さが短くてよい。言い換えれば、これらのピン43乃至46の他のピンと嵌合する部分の先端位置、即ち図4における嵌合部52及び53の先端位置に着目したとき、グラウンドピン43及び46の先端の方が電源ピン44及び45の先端よりも突出している。これらのピン43乃至46と嵌合する相手側のピン63乃至66については、図5に示すように、ピンの先端位置は揃っている(嵌合時の挿入方向において同一位置にある)。従って、図3のコネクタと図5のコネクタとを互いに近づけていき結合させる時、まず最初にグラウンドピン43及び46とピン63及び66とが接触して電気的に接続され、その後、電源ピン44及び45とピン64及び65とが接触して電気的に接続される。即ち、まずグラウンドの接続が確立されてから電源の接続が行われることになり、安全な電源接続を実現することができる。
図6は、漏電検出回路の構成の一例を示す図である。図6に示す漏電検出回路は、オペアンプ70、抵抗素子R1乃至R6、ダイオードD1、発光素子71、及び受光素子72を含む。シグナルグラウンドSGが図3のシグナルグラウンドピン46に接続され、フレームグラウンドFGが図3のフレームグラウンドピン43に接続され、−48Vを印加される電源端子VINが図3の例えば第2の電源ピン45に接続される。抵抗Rzは、結露や塵埃等を原因として電源とフレームグラウンドとの間が結合され漏電電流が流れる場合において、その漏電経路の抵抗値である。抵抗Rzは、正常時には無限大であり、異常時には有限の値となる。発光素子71及び受光素子72からなる光結合部においては、光の強度として入力側から出力側に情報が伝達されるものであり、入力側と出力側とは電気的に接続(電気導体により直接に接続)されているのではない。このようにして、オペアンプ70が設けられる回路側と警報出力側とは電気的に絶縁されている。
オペアンプ70及び抵抗素子R1乃至R5の回路部分が、シグナルグラウンド(SG:コモングラウンド)の電位とフレームグラウンド(FG)の電位との電位差を検出する。抵抗素子R2、抵抗素子R3、及び抵抗素子R4の抵抗値は互いに等しく、直列接続された抵抗素子R1及び抵抗素子R5の合成抵抗(即ち2つの抵抗値の和)は、抵抗素子R3の抵抗値に等しくてよい。即ち、各抵抗素子の参照符号が抵抗値も示しているとして、R2=R3=R4=R1+R5であってよい。R2=R4であり、シグナルグラウンドSGが0Vであり、電源VINが−48Vであるので、オペアンプ70の非反転入力端の電圧は−24Vとなる。このとき、オペアンプ70の反転入力端もイマジナリーショートにより−24Vとなる。
正常状態では抵抗Rzが無限大であり、抵抗Rzに電流は流れない。この正常状態においては、フレームグラウンドFGは、電源VIN及びシグナルグラウンドSGに対して相対的に浮いている状態である。即ち、フレームグラウンドFGの相対的な電位は、オペアンプ70及び抵抗素子R1乃至R5の回路部分の動作により決定される。R1+R5=R3であり、シグナルグラウンドSGが0Vであり、オペアンプ70の反転入力端が−24Vであるので、オペアンプ70の出力OUTは−48Vとなる。従って正常状態では、抵抗R6、ダイオードD1、及び発光素子71を介して電流が流れることはなく、発光素子71は発光しない。この場合、受光素子72はOFF状態即ち開放状態となる。
結露や塵埃等により漏電が発生する異常状態では抵抗Rzが有限又はゼロの抵抗値を有する。例えば完全に短絡して抵抗Rzの抵抗値がゼロとなった場合、フレームグラウンドFGは、電源VINと強制的に同電位に設定される。即ち、ノードNの電位は、シグナルグラウンドSGの電位に対して相対的に−48Vとなる。このとき、オペアンプ70の反転入力端が−24Vであるので、例えばR1とR3とが抵抗値が略等しいとすると(即ちR5の抵抗値が非常に小さいとすると)、オペアンプ70の出力OUTは0Vとなる。従って、異常状態では、抵抗R6、ダイオードD1、及び発光素子71を介して電流が流れ、発光素子71が発光する。この場合、受光素子72はON状態即ち短絡状態となる。
このように、正常状態であるか或いは漏電のある異常状態であるかに応じて、警報接点出力73の2端子間が開放状態となるか或いは短絡状態となる。従って、警報接点出力73の2つの端子間の状態を検出することで、端子間が短絡状態となった場合に警報を出力することができる。この警報が出力される漏電状態、即ち抵抗Rzの抵抗値については、抵抗素子R5の抵抗値を調整することで調整できる。例えばR5=R1の場合には2×R3=R1となるので、抵抗Rzの抵抗値がゼロとなった場合、オペアンプ70の出力OUTは24Vとなる。即ち、R5≪R1の場合と比較して、例えばR5=R1の場合には、警報出力が発生しやすくなる。このように、抵抗素子R5の抵抗値が大きくなると、警報出力が発生しやすくなるので、この抵抗素子R5の抵抗値を適宜調整することで、警報出力が発生する漏電状態(抵抗Rzの抵抗値)を定めることができる。即ち、フレームグラウンドとシグナルグラウンドとの電位差が所定値以上になると警報を出力するように漏電検出回路を設計できる。また抵抗素子R5の抵抗値を適宜調整することで、ブレーカ(図1のブレーカ21−1又は21−2)が電流を遮断する前に、漏電検出回路が警報を出力するように設計してよい。
なおシグナルグラウンドSGとフレームグラウンドFGとは抵抗素子R5を介して接続されている。この抵抗素子R5を設けることにより、フレームグラウンドFGと電源VINとの間に漏電電流が流れた場合には、漏電のない場合(抵抗Rzが無限大の場合)と比較して、フレームグラウンドFGの電位がシグナルグラウンドSGの電位に対して相対的に変化できる。この変化を、オペアンプ70により検出していることになる。
また漏電検出回路は、バックワイヤリングボード23に装着される基板上に設けられてよい。即ち、前述のように、複数の回路基板(基板カード)をバックワイヤリングボード23に装着することができる。図6に示す漏電検出回路は、バックワイヤリングボード23に装着される複数の基板のうちの少なくとも1つに設けられてよい。
図7は、バックワイヤリングボードに装着される複数の回路基板の一例を示す図である。図7において、ブレーカ81及び82は、図1のブレーカ21−1及び21−2に相当する。図1に示す外部直流電源装置11からの電源電圧V1とグラウンド電圧Gとがブレーカ81を介して、バックワイヤリングボード23に装着された複数の回路基板83に供給される。また図1に示す外部直流電源装置12からの電源電圧V2とグラウンド電圧Gとがブレーカ81を介して、バックワイヤリングボード23に装着された複数の回路基板83に供給される。各回路基板83において、2つの黒丸で示す部分が、バックワイヤリングボード23と回路基板側との間のコネクタによる接続部である。図3乃至図5に示すようなコネクタにより、バックワイヤリングボード23と各々の回路基板83との接続が行われる。
HWYは、ネットワークとのやりとりを行うハイウェイカードであり、HWY/E(1)とHWY/N(0)とで2系統の電源に対応した冗長構成となっている。SVは、前述の漏電検出回路を搭載した漏電検出カードであり、SV/EとSV/Nとで2系統の電源に対応した冗長構成となっている。CPは、CPU等の演算回路を搭載したカードであり、CP/EとCP/Nとで2系統の電源に対応した冗長構成となっている。BB1乃至BB15は、ベースバンド回路を搭載したカードである。TRXIFは、アンプとのインターフェース回路を搭載したカードであり、TRXIF/EとTRXIF/Nとで2系統の電源に対応した冗長構成となっている。
図7に示す複数の複数の回路基板83は、図3乃至図5に示すようなコネクタを介して、バックワイヤリングボード23に装着される。このバックワイヤリングボード23を介して、外部直流電源装置11の電源及びシグナルグラウンド、外部直流電源装置12の電源及びシグナルグラウンド、並びにフレームグラウンドが各回路基板に提供される。複数の回路基板83のうちの少なくとも1つが、漏電検出回路を搭載したカードであってよい。なお図7の例では、2つの電源系統が用いられている関係上、2つの電源系統に対応して2つの漏電検出回路カードが設けられている。
以上、本発明を実施例に基づいて説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の範囲内で様々な変形が可能である。
10 電子装置
20−1乃至20−5 受電端子
21−1及び21−2 ブレーカ
23 バックワイヤリングボード
24 フレームグラウンド
42 コネクタケース
43 フレームグラウンドピン
44 第1の電源ピン
45 第2の電源ピン
46 シグナルグラウンドピン
47 コネクタ隔壁
20−1乃至20−5 受電端子
21−1及び21−2 ブレーカ
23 バックワイヤリングボード
24 フレームグラウンド
42 コネクタケース
43 フレームグラウンドピン
44 第1の電源ピン
45 第2の電源ピン
46 シグナルグラウンドピン
47 コネクタ隔壁
Claims (9)
- 直流電源の電源が接続される第1の端子と、
前記直流電源のシグナルグラウンドが接続される第2の端子と、
前記第1の端子と前記第2の端子との間の位置に配置されたフレームグラウンドに接続される第3の端子と、
を含むことを特徴とするコネクタ。 - 第2の直流電源の電源が接続される第4の端子を更に含み、
前記第2の直流電源のシグナルグラウンドは前記第2の端子に接続され、前記第4の端子、前記第1の端子、前記第3の端子、前記第2の端子の順に各端子が配列されることを特徴とする請求項1記載のコネクタ。 - 直流電源の電源が接続される第1の端子と、前記直流電源のシグナルグラウンドが接続される第2の端子と、前記第1の端子と前記第2の端子との間の位置に配置されたフレームグラウンドに接続される第3の端子と、を含む配線ボードと、
前記シグナルグラウンドの電位と前記フレームグラウンドの電位との電位差を検出する検出回路と
を含むことを特徴とする漏電検出装置。 - 前記シグナルグラウンドと前記フレームグラウンドとは抵抗素子を介して接続されていることを特徴とする請求項3記載の漏電検出装置。
- 前記検出回路は、前記配線ボードに装着される基板上に設けられ、前記シグナルグラウンドと、前記電源と、前記フレームグラウンドとに接続される回路であることを特徴とする請求項3又は4記載の漏電検出装置。
- 前記検出回路は前記電位差が所定値以上になると警報を出力することを特徴とする請求項3乃至5何れか一項記載の漏電検出装置。
- 前記電源の供給経路の過電流に応答して電流を遮断するブレーカを更に含み、前記検出回路は前記ブレーカが電流を遮断する前に警報を出力することを特徴とする請求項3乃至6何れか一項記載の漏電検出装置。
- 前記配線ボードは、第2の直流電源の電源が接続される第4の端子を更に含み、前記第2の直流電源のシグナルグラウンドは前記第2の端子に接続され、前記第4の端子、前記第1の端子、前記第3の端子、前記第2の端子の順に各端子が配列されることを特徴とする請求項3乃至7何れか一項記載の漏電検出装置。
- 前記配線ボードに装着される複数の基板のそれぞれの装着位置において、前記第1の端子、前記第2の端子、及び前記第3の端子が設けられ、前記検出回路は、前記配線ボードに装着される前記複数の基板のうちの少なくとも1つに設けられていることを特徴とする請求項3記載の漏電検出装置。
Priority Applications (2)
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