JP2014107042A - ラッチングリレーの駆動回路 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な回路構成で、消費電力を低減できるラッチングリレーの駆動回路を提供する。
【解決手段】電源から負荷へ電力を供給または遮断するために開閉動作するラッチングリレーと、電力の供給または遮断の指示信号が入力される入力線とラッチングリレーのコイルの一端との間に接続され、入力線の状態を出力する第一バッファを含む第一バッファ回路と、ラッチングリレーの電力の遮断側の接点とコイルの他の一端との間に接続され、遮断側の接点の状態を出力する第二バッファを含む第二バッファ回路と、を備え、第一バッファ回路および第二バッファ回路の出力状態に基づいて、コイルへの電流の供給および停止を行い、ラッチングリレーを開閉動作させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ラッチングリレーの駆動回路に関する。

リレーとして、一般的なリレーであるステイブル型（コイルに電流が流れている間だけ接点がメーク側にスイッチングするもの）を使用するケースが多い。しかし、近年、電気自動車の普及や電力需給問題により製品の消費電流を抑えることが重要課題となっている。その中で、多くの製品がステイブル型リレーを使用しており、出力状態を維持するために電流を流し続ける必要があるため、消費電流増大の要因となっている。

そこで、ラッチングリレー（非特許文献１参照）が用いられるようになっている。例えば、論理演算回路とフリップフロップと単安定マルチバイブレータで構成し、雑音の影響を受けずに安定した動作を行うことができるラッチングリレーの駆動回路が考案されている（特許文献１参照）。

また、レベル弁別回路の出力に応答して発生したパルスと、リレースイッチのスイッチング態様とに応答して、そのリレースイッチの他のスイッチング態様に対応した安定状態となるように、フリップフロップの安定状態を変える論理回路を含むラッチングリレーの駆動回路が考案されている（特許文献２参照）。

特開昭６３−０９４５２３号公報 特開昭５７−１３０３１６号公報

オムロン株式会社「一般リレー 概要」（http://www.fa.omron.co.jp/guide/technicalguide/36/65/index.html）平成２４年１１月７日検索

特許文献１および２の例では、フリップフロップあるいは単安定マルチバイブレータを用いており、回路構成が複雑になるという問題がある。

上記問題点を背景として、本発明の課題は、簡易な回路構成で、消費電力を低減できるラッチングリレーの駆動回路を提供することにある。

課題を解決するための手段および発明の効果

上記課題を解決するためのラッチングリレーの駆動回路は、電源から負荷へ電力を供給または遮断するために開閉動作するラッチングリレーと、電力の供給または遮断の指示信号が入力される入力線とラッチングリレーのコイルの一端との間に接続され、入力線の状態を出力する第一バッファを含む第一バッファ回路と、ラッチングリレーの電力の遮断側の接点とコイルの他の一端との間に接続され、遮断側の接点の状態を出力する第二バッファを含む第二バッファ回路と、を備え、第一バッファ回路および第二バッファ回路の出力状態に基づいて、コイルへの電流の供給および停止を行い、ラッチングリレーを開閉動作させる。

ラッチングリレーは接点状態を変更する際にコイルに電流を流す必要があるが、接点状態を維持する場合は、ステイブル型リレーのようにコイルに電流を流す必要がない。この特徴を利用することで、リレーの駆動に要する消費電流を低減することができる。

また、ステイブル型リレーと同様に、負荷への電力の供給または遮断の指示信号のみで、ラッチングリレーを駆動することができるので、制御方法はステイブル型リレーと同じとなる。これにより、ステイブル型リレーを本発明の駆動回路を置き換えることができる。ステイブル型リレーに比べて部品点数が増えるが、消費電流低減による電源の負荷の低減、電源の小型化、電流減少による部品の発熱量の低減、耐熱性のさほど高くない部品を使用可能、などの利点があり、システム全体としての効果は大きい。さらに、従来技術のように、フリップフロップ回路を用いず、バッファ回路のみを用いる構成であるため、回路構成も簡易なものとなり、コスト上昇もわずかなものとなる。

本発明のラッチングリレーの駆動回路の構成例を示す図。 バッファＢＦ１２、ＢＦ２２の状態変化を示す図。 状態復帰用バッファの状態変化を示す図。 負荷の駆動／停止の指示が入力されたときの駆動回路の状態変化を示す図。 電源からの電力の供給が停止したときの駆動回路の状態変化を示す図。

以下、本発明のラッチングリレーの駆動回路について、図面を用いて説明する。図１のように、ラッチングリレーの駆動回路（以降、「駆動回路」と略称）１は、ラッチングリレー（以降、「リレー」と略称することもある）ＲＬＹ、バッファ回路ＢＦ１（本発明の第一バッファ回路）、バッファ回路ＢＦ２（本発明の第二バッファ回路）、電源保持回路ＰＳを含む。

ラッチングリレーＲＬＹは、コイルＬ、比較的少ないエネルギーで着磁、減磁ができる磁性材料である半硬質磁性材料で構成された鉄心Ｔ、固定接点ＡおよびＢ、磁性材料を用いた可動接点Ｍを含む、いわゆる「１巻線型」といわれるものである。１巻線型は、２巻線型のラッチングリレーに比べて、コイルが１つ少ない分、低コスト化あるいは小型化が可能である。ラッチングリレーについては、非特許文献１に詳細が記載されている。

なお、可動接点Ｍは、コイルＬのｂ方向に電流が流れたときに、コイルＬ（鉄心Ｔを含む）に吸引されて固定接点Ｂに接触し、コイルＬのａ方向に電流が流れたときに、コイルＬの磁力に反発して固定接点Ａに接触するように磁化されている。

コイルＬのｂ方向に電流が流れると、電磁石（コイルＬと鉄心Ｔの総称）が磁化され、可動接点Ｍが鉄心Ｔに吸引され、可動接点Ｍは固定接点Ｂに接触する（閉状態）。この状態でコイルＬに電流を流さなくても、半硬質磁性材料（すなわち、鉄心Ｔ）の残留磁束により可動接点Ｍは鉄心Ｔに吸着した状態を維持し、固定接点Ｂに接触した状態を維持する。

一方、コイルＬのａ方向に電流が流れると、半硬質磁性材料（すなわち、鉄心Ｔ）の残留磁束が減少し逆方向の磁力が発生するので、可動接点ＭはコイルＬとの間で反発力が生じて固定接点Ａに接触する（開状態）。

リレーＲＬＹは、上述の構成の他に、可動接点Ｍに鉄片を用い、可動接点Ｍに復帰ばねＳＰを接続するようにしてもよい。この場合、可動接点Ｍは、コイルＬのｂ方向に電流が流れたときに、コイルＬに吸引されて固定接点Ｂに接触し、コイルＬのａ方向に電流が流れたときに、鉄心Ｔの残留磁束が減少し、復帰ばねＳＰの弾性復元力が鉄心Ｔの吸引力を上回って固定接点Ａに接触する。

リレーＲＬＹの可動接点Ｍは、例えば、車両に搭載されたバッテリ等の電源２から電力を供給する電源線２１に接続される。固定接点Ａは、プルダウン抵抗Ｒ２を介して接地（ＧＮＤ）される。固定接点Ｂは、例えばモータやソレノイド等の負荷Ｚに接続され、負荷Ｚは接地されている。コイルＬの一端（可動接点Ｍ側）は、バッファ回路ＢＦ１の出力に接続され、コイルＬの他の一端（図１の固定接点側）は、バッファ回路ＢＦ２の出力に接続される。

バッファ回路ＢＦ１は、周知のスリーステートバッファであるバッファＢＦ１１（本発明の第一状態復帰用バッファ）、およびＢＦ１２（本発明の第一バッファ）を含む。バッファＢＦ１１の制御端子Ｇと電源線２１との間には、論理反転素子Ｎ１１が介挿されており、制御端子Ｇには、電源２の状態を論理反転素子Ｎ１１により反転したものが入力される。また、入力端子Ｆは、電源保持回路ＰＳの出力Ｋに接続されている。そして、電源２から電力が供給されていないとき、電源保持回路ＰＳの状態を出力端子Ｈから出力する。

バッファＢＦ１２の制御端子Ｄは、電源線２１に接続されている。また、入力端子Ｃは、周知のマイコンあるいはユーザが操作するスイッチ等の状態が入力される入力３から、負荷Ｚの駆動／停止の指示が出力される入力線３１に接続されている。そして、電源２から電力が供給されているとき、入力線３１の状態を出力端子Ｅから出力する。

なお、バッファＢＦ１２の入力端子Ｃに接続された論理反転素子Ｎ１２、および入力線３１に接続されたプルダウン抵抗Ｒ１２については後述する。

バッファ回路ＢＦ２は、周知のスリーステートバッファであるバッファＢＦ２１（本発明の第二状態復帰用バッファ）、およびＢＦ２２（本発明の第二バッファ）を含む。バッファＢＦ２１の制御端子Ｇと電源線２１との間には、論理反転素子Ｎ２１が介挿されており、制御端子Ｇには、電源２の状態を論理反転素子Ｎ２１により反転したものが入力される。また、入力端子Ｆは、接地されている。そして、電源２から電力が供給されていないとき、出力端子ＨからＬレベル（接地の電位）を出力する。

バッファＢＦ２２の制御端子Ｄは、電源線２１に接続されている。また、入力端子Ｃは、リレーＲＬＹの固定接点Ａに接続されている。そして、電源２から電力が供給されているとき、固定接点Ａの状態を出力端子Ｅから出力する。

また、バッファＢＦ２２の入力端子ＣとリレーＲＬＹの固定接点Ａとの間には、周知の遅延回路ＤＬが介挿されており、入力端子Ｃの状態を予め定められた遅延時間だけ遅らせて出力端子Ｅから出力する。遅延回路ＤＬとして、周知のＣＲフィルタを用いてもよいし、バッファを所定数直列接続したものを用いてもよいし、論理反転素子を偶数個直列接続したものを用いてもよい。遅延回路ＤＬは、バッファ回路ＢＦ２に含まない構成としてもよい。

上述の構成が、遮断側の接点と第二バッファとの間に、入力された遮断側の接点の状態を、予め定められた遅延時間だけ遅れて出力する遅延回路が接続されるものに相当する。本構成によって、外部からの制御を行うことなく、第二バッファ回路を所望の状態に変更することができる。

電源保持回路ＰＳは、例えば、キャパシタを含み、入力Ｊが電源線２１に接続され、電源２からの電力の供給が停止したことを検出したときに、キャパシタに蓄えられた電力を、出力Ｋからバッファ回路ＢＦ１、ＢＦ２に供給する。

図２に、バッファＢＦ１２およびＢＦ２２の状態を示す。これは、スリーステートバッファと同様の状態である。制御端子Ｄの入力状態がＬレベルのときには、出力端子Ｅは、入力端子Ｃの状態によらず、高インピーダンス状態（Ｈｉ−Ｚ）となり、入力端子Ｃの状態はリレーＲＬＹに出力されない。つまり、駆動回路１から切り離された状態となっている。一方、制御端子Ｃの入力状態がＨレベルのときには、出力端子Ｅは、入力端子Ｄの状態を出力する。

図３に、バッファＢＦ１１およびＢＦ１２の状態を示す。これは、スリーステートバッファにおいて制御端子への入力を反転させたときと同様の状態である。制御端子Ｇの入力状態がＨレベルのときには、出力端子Ｈは、入力端子Ｆの状態によらず、高インピーダンス状態（Ｈｉ−Ｚ）となり、入力端子Ｆの状態はリレーＲＬＹに出力されない。つまり、駆動回路１から切り離された状態となっている。一方、制御端子Ｇの入力状態がＬレベルのときには、出力端子Ｈは、入力端子Ｆの状態を出力する。

上述のように、バッファ回路ＢＦ１、ＢＦ２は、電源２の状態によって、データを出力するバッファが異なる。すなわち、電源２から電力が供給されているときは、ＢＦ１２、ＢＦ２２がそれぞれの入力端子の状態を出力し、電源２から電力が供給されていないとき、かつ、電源保持回路ＰＳから電力が供給されているときは、ＢＦ１１、ＢＦ２１がそれぞれの入力端子の状態を出力する。

図４を用いて、入力線３１から負荷Ｚの駆動／停止の指示が入力されたときに、駆動回路１の各部の状態変化について説明する。電源２から電力が供給されているときは、バッファＢＦ１１、ＢＦ２１の出力端子Ｈは、上述の高インピーダンス状態となる。この状態で、入力線３１からバッファＢＦ１２の入力端子Ｃに駆動指示（Ｌレベル）が入力されると、バッファＢＦ１２の出力端子ＥからＬレベルが出力される。

リレーＲＬＹの可動接点Ｍは、負荷Ｚの停止時には固定接点Ａに接触しているので、固定接点Ａの電位すなわちバッファＢＦ１２の入力端子Ｃの状態は、電源電圧とほぼ同じ（Ｈレベル）となっている。また、このため、電流は、電位の高い側から低い側、つまりコイルＬのｂ方向（図１参照）に流れ、コイルＬ（および鉄心Ｔ）に十分な吸引力が発生した後（すなわち、時間Ｔ１後）、可動接点ＭがコイルＬに吸引されて固定接点Ｂに接触する。そして、負荷Ｚは駆動を開始する。

この状態で、固定接点Ａの電位、すなわち遅延回路ＤＬへの入力は接地（０Ｖ：Ｌレベル）とほぼ同じとなる。そして、バッファＢＦ１２の入力端子Ｃの入力は、遅延回路ＤＬの遅延時間Ｔ２だけ遅れてＬレベルとなる。これにより、コイルＬの両端（すなわち、２つのバッファの出力）の電位がＬレベルとなるので、電流は流れなくなる。可動接点Ｍは、固定接点Ｂとの接触を維持している。

負荷Ｚが駆動状態で、入力線３１からバッファＢＦ１２の入力端子Ｃに停止指示（Ｈレベル）が入力されると、バッファＢＦ１２の出力端子ＥからＨレベルが出力される。バッファＢＦ２２の出力はＬレベルを維持しているので、電流がコイルＬのａ方向に流れ、鉄心Ｔの磁束が消滅した後（すなわち、時間Ｔ３後）、可動接点Ｍが、コイルＬとの反発力により（復帰ばねＳＰを含む構成のときは、復帰ばねＳＰの弾性復元力により）固定接点Ａに接触する。そして、負荷Ｚは駆動を停止する。

この状態で、固定接点Ａの電位は電源電圧とほぼ同じとなる（Ｈレベル）。そして、バッファＢＦ１２の入力端子Ｃの入力は、遅延回路ＤＬの遅延時間Ｔ４だけ遅れてＨレベルとなる。これにより、コイルＬの両端の電位がＨレベルとなるので、電流は流れなくなる。可動接点Ｍは、固定接点Ａとの接触を維持している。

上述の遅延時間（Ｔ２、Ｔ４）は、ラッチングリレーの状態が変化し、その変化した状態が安定するために要する時間に相当する。本構成によって、ラッチングリレーの状態が安定するまで電流を供給でき、ラッチングリレーの誤作動や接点バウンスを防止できる。

上述の図４の構成が、指示信号が入力されたとき、第一バッファの出力レベルと第二バッファの出力レベルとが異なるものとなることで、コイルへの電流の供給を開始し、遅延時間が経過した後、第一バッファの出力レベルと第二バッファの出力レベルとが同一となることで、コイルへの電流の供給が停止するものに相当する。本構成によって、外部からの制御を行うことなく、コイルへの電流の供給を停止することができる。

図５を用いて、電源２からの電力の供給が停止したとき（電源ＯＦＦ時）の、駆動回路１の状態について説明する。図５の構成が、電源からの電力の供給が停止したとき、予め定められた時間、第一バッファ回路および第二バッファ回路に電源を供給する電源保持回路を備え、第一バッファ回路は、電源保持回路からの電源供給状態を出力する第一状態復帰用バッファを含み、第二バッファ回路は、接地線の状態を出力する第二状態復帰用バッファを含み、これら状態復帰用バッファにより、ラッチングリレーを閉状態に遷移するよう、コイルへ電流を供給するものに相当する。本構成によって、電源からの電力の供給が停止したとき、ラッチングリレーを閉状態にでき、ステイブル型リレーと同等の動作を行うことができる。

まず、電源２がＯＦＦ状態になると、電源保持回路ＰＳの出力Ｋから、所定時間（Ｔ１１）だけ、バッファ回路ＢＦ１、ＢＦ２に電力が供給される。また、バッファＢＦ１２、ＢＦ２２の出力端子Ｅは、高インピーダンス状態となる。

電源２から電力が供給されているとき（電源ＯＮ時）は、出力端子Ｈが高インピーダンス状態であったバッファＢＦ１１の入力端子Ｆは、電源保持回路ＰＳの出力ＫによりＨレベルとなり、出力端子ＨからＨレベルを出力する。また、バッファＢＦ２１の入力端子Ｆは接地されているので、出力端子ＨからＬレベルを出力する。これにより、コイルＬには、ａ方向に電流が流れ、可動接点Ｍは、少なくとも鉄心Ｔの磁束が消滅した時間（Ｔ１２）経過後には、コイルＬとの反発力（復帰ばねＳＰを含む構成のときは、復帰ばねＳＰの弾性復元力により）により固定接点Ａに接触し、以降、この状態を維持する。

この状態で、コイルＬには電流が流れているが、電源保持回路ＰＳからの電力の供給が停止すると、電流が流れなくなり、バッファＢＦ１１、ＢＦ２１の出力は高インピーダンス状態となる。

これにより、可動接点Ｍの接触状態に関係なく、電源ＯＦＦ時には、可動接点Ｍは固定接点Ａに接触するので、負荷Ｚは停止する。

図１の例では、負荷Ｚの駆動／停止指示入力を、Ｌレベルのときを駆動指示、Ｈレベルのときを停止指示としていたが、Ｈレベルのときを駆動指示、Ｌレベルのときを停止指示とすることもできる。このときは、入力線３１〜電源線２１間のプルアップ抵抗Ｒ１１の代わりに、入力線３１〜接地（ＧＮＤ）間のプルダウン抵抗Ｒ１２を接続し、入力線３１の、プルダウン抵抗Ｒ１２とバッファＢＦ２の入力端子Ｃとの間に、論理反転素子Ｎ１２を接続する。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、これらはあくまで例示にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲の趣旨を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づく種々の変更が可能である。

１ ラッチングリレーの駆動回路
２ 電源
ＲＬＹ ラッチングリレー
Ｌ コイル
Ａ、Ｂ 固定接点
Ｍ 可動接点
ＢＦ１ バッファ回路（第一バッファ回路）
ＢＦ１１ バッファ（第一状態復帰用バッファ）
ＢＦ１２ バッファ（第一バッファ）
ＢＦ２ バッファ回路（第二バッファ回路）
ＢＦ２１ バッファ（第二状態復帰用バッファ）
ＢＦ２２ バッファ（第二バッファ）
ＤＬ 遅延回路
ＰＳ 電源保持回路
Ｚ 負荷

Claims (5)

1. 電源から負荷へ電力を供給または遮断するために開閉動作するラッチングリレーと、
   前記電力の供給または遮断の指示信号が入力される入力線と前記ラッチングリレーのコイルの一端との間に接続され、前記入力線の状態を出力する第一バッファを含む第一バッファ回路と、
   前記ラッチングリレーの前記電力の遮断側の接点と前記コイルの他の一端との間に接続され、前記遮断側の接点の状態を出力する第二バッファを含む第二バッファ回路と、
   を備え、
   前記第一バッファ回路および前記第二バッファ回路の出力状態に基づいて、前記コイルへの電流の供給および停止を行い、前記ラッチングリレーを開閉動作させることを特徴とするラッチングリレーの駆動回路。
2. 前記遮断側の接点と前記第二バッファとの間に、入力された前記遮断側の接点の状態を、予め定められた遅延時間だけ遅れて出力する遅延回路が接続される請求項１に記載のラッチングリレーの駆動回路。
3. 前記遅延時間は、前記ラッチングリレーの状態が変化し、その変化した状態が安定するために要する時間とされる請求項２に記載のラッチングリレーの駆動回路。
4. 前記指示信号が入力されたとき、前記第一バッファの出力レベルと前記第二バッファの出力レベルとが異なるものとなることで、前記コイルへの電流の供給を開始し、前記遅延時間が経過した後、前記第一バッファの出力レベルと前記第二バッファの出力レベルとが同一となることで、前記コイルへの電流の供給が停止する請求項２または請求項３に記載のラッチングリレーの駆動回路。
5. 前記電源からの電力の供給が停止したとき、予め定められた時間、前記第一バッファ回路および前記第二バッファ回路に電源を供給する電源保持回路を備え、
   前記第一バッファ回路は、前記電源保持回路からの電源供給状態を出力する第一状態復帰用バッファを含み、
   前記第二バッファ回路は、接地線の状態を出力する第二状態復帰用バッファを含み、
   これら状態復帰用バッファにより、前記ラッチングリレーを閉状態に遷移するよう、前記コイルへ電流を供給する請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のラッチングリレーの駆動回路。

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