JP4271552B2 - 電気素子駆動方法および装置、ならびに、信号切替装置 - Google Patents

Description

本発明は、信号切替装置に係り、特に複数のリレーが備えられる信号切替装置に関する。
本発明は、複数の電気素子を駆動する装置に関する。本発明は、複数のリレーが備えられる信号切替装置などに用いて好適である。

従来、半導体テスタは、信号切替のために多くのリレーを備えている。リレーには、信号を劣化させないために水銀リレーやリードリレーなどのメカニカルリレーが用いられる。メカニカルリレーは、コイルを備え、該コイルの電磁作用により電気回路を切り換えるリレーである。

ここで、リレーを用いた一般的な信号切替装置を図１に示す。図１において、信号切替装置１００は、制御装置１１０と、トランジスタアレイ１２０と、リレー１３０とを備える。制御装置１１０は、トランジスタアレイ１２０に制御信号を出力する装置であって、電源ＶＤとグラウンドＧＮＤとに接続されている。トランジスタアレイ１２０は、ダーリントン接続された２個のトランジスタを備えるトランジスタアレイである。トランジスタアレイ１２０は、ベースが抵抗器を介して制御装置１１０に、コレクタがリレー１３０に、エミッタがグラウンドＧＮＤに、それぞれ接続されている。リレー１３０は、信号を切り換えるスイッチ１３１と、スイッチ１３１をオンまたはオフさせるコイル１３２とを備える。コイル１３２は、電源ＶＤＲとトランジスタアレイ１２０のコレクタに接続されている。半導体テスタにおいて、制御装置１１０は、マイクロプロセッサやＦＧＰＡなどである。従って、制御装置１１０が直接コイル１３２を駆動することは困難であり、上述のとおり制御装置１１０とリレー１３０との間にトランジスタアレイ１２０が介在する（例えば、特許文献１または特許文献２）。

実開昭６３−７９３２（第１図） 特開昭６０−１８３９９１（第３図）

制御装置１１０から出力される電流とコイル１３２を流れる電流は、トランジスタアレイ１２０のエミッタに流れこむので、制御装置１１０が接続されるグラウンドとトランジスタアレイ１２０が接続されるグラウンドとは共通でなければならない。従って、コイル１３２に接続される電源は、正電源でなければならない。

また、コイル１３２に接続される電源は、リレー１３０の動作電圧にトランジスタアレイ１２０の飽和動作時のコレクタ−エミッタ間電圧を加えた値以上の電圧を有する必要がある。一般に、２つのトランジスタがダーリントン接続されたトランジスタアレイの飽和動作時のコレクタ−エミッタ間電圧は１Ｖ程度である。従って、リレー１３０の動作電圧が５Ｖである場合、コイル１３２に接続される電源の電圧は６Ｖ以上である必要がある。一般的な電子装置において、６Ｖの電源は汎用的なものではない。

半導体テスタは、多くの信号切替装置が備えられている。一般に、リレーの駆動電流は３０ミリＡ〜４０ミリＡ程度が必要とされる。従って、半導体テスタは、一般的な電子素子に供給される電源とは別に、リレー専用の大容量正電源を備えている。また、リレー駆動時にグラウンドに大電流が流れるので、半導体テスタは、リレー周辺のグラウンドパターンを太くし、さらに、大きなコモンモードチョークコイルなどのノイズ対策部品を多く備えている。

本発明は、専用電源、太いグラウンドパターン、および、多数のノイズ対策部品を必要としない信号切替装置を提供することを目的とする。

本第一の発明は、複数の電気素子を駆動する方法であって、共通の基準電位に接続された正電源または負電源のいずれか一方から前記電気素子のそれぞれに電流を供給し、かつ、前記正電源から前記電気素子に供給する総電流量と前記負電源から前記電気素子に供給する総電流量との差が小さくなるように、正電源および負電源が分担して前記電気素子のそれぞれに電流を供給するステップと、前記正電源および前記負電源から電気的に絶縁された装置からの信号に応答して、前記電気素子に流れる電流を導通または遮断するステップと、を含むことを特徴とするものである。

また、本第二の発明は、複数の電気素子を駆動する装置であって、複数のスイッチ手段を備え、前記スイッチ手段は、互いに電気的に絶縁された入力部とスイッチ部とを具備し、前記スイッチ部は、前記入力部に入力される信号に応答してスイッチ動作し、前記スイッチ手段のそれぞれのスイッチ部は、少なくとも１つの前記電気素子を介して、共通の基準電位に接続された正電源または負電源のいずれか一方に接続され、かつ、前記正電源に接続される前記スイッチ部に流れる電流量の総和と前記負電源に接続される前記スイッチ部に流れる電流量の総和との差が小さくなるように前記電気素子が正電源および負電源に振り分けて接続されることを特徴とするものである。

さらに、本第三の発明は、本第二の発明において、さらに、前記正電源に接続される前記スイッチ部と前記負電源に接続される前記スイッチ部とがほぼ同時に導通状態にされることを特徴とするものである。

またさらに、本第四の発明は、複数の信号を切り換える信号切替装置であって、複数のリレーと複数のフォトカプラとを備え、前記フォトカプラのそれぞれの出力部は、少なくとも１つの前記リレーのコイルと接続され、前記リレーのそれぞれのコイルは、共通のグラウンドを有する正電源または負電源のいずれか一方に接続され、かつ、前記正電源に接続される前記コイルに流れる電流量の総和と前記負電源に接続される前記コイルに流れる電流量の総和との差が小さくなるように前記コイルが正電源および負電源に振り分けて接続されることを特徴とするものである。

また、本第五の発明は、本第四の発明において、さらに、前記正電源に接続される前記コイルと前記負電源に接続される前記コイルとがほぼ同時に駆動されるように前記フォトカプラのそれぞれを制御する制御装置を備えることを特徴とするものである。

また、本第六の発明は、本第四の発明または本第五の発明において、前記フォトカプラが、トランジスタ出力フォトカプラであることを特徴とするものである。

さらに、本第七の発明は、本第四の発明または本第五の発明において、前記フォトカプラが、ＭＯＳ−ＦＥＴ出力フォトカプラであることを特徴とするものである。

本発明によれば、複数のリレーを備える信号切替装置において、該複数のリレーはフォトカプラにより駆動されるので、リレー駆動電源は正電源に制限されない。また、本発明によれば、複数のリレーを備える信号切替装置において、該複数のリレーはオン抵抗が小さいＭＯＳ−ＦＥＴ出力フォトカプラにより駆動されるので、リレー駆動電源の選択が容易になる。従って、本発明によれば、複数のリレーを備える信号切替装置は、リレー専用電源が必要なくなる。

さらに、本発明によれば、複数のリレーを備える信号切替装置において、該複数のリレーは正電源および負電源に分散して接続されるので、リレー駆動時にグラウンドに流入する電流が抑制され、その結果、多数の大きなコモンモードチョークコイルなどのノイズ対策部品や太いグラウンドパターンが必要なくなる。

上記の効果により、例えば、半導体テスタは、機能および性能を損なうことなく、信号切替装置に関連する領域を縮小することができる。

本発明を、添付の図面に示す実施の形態に基づいて詳細に説明する。本発明の第一の実施形態は、複数のリレーを備える信号切替装置であって、そのブロック図を図２に示す。図２において、信号切替装置２００は、制御装置２１０と、フォトカプラ２２０およびフォトカプラ２３０と、リードリレー２４０およびリードリレー２５０とを備える。制御装置２１０は、フォトカプラ２２０およびフォトカプラ２３０を制御するための信号を出力する装置であって、正電源ＶＤとグラウンドＧＮＤＤとに接続されている。フォトカプラ２２０およびフォトカプラ２３０は、ＭＯＳ−ＦＥＴ出力フォトカプラである。フォトカプラ２２０は、互いに電気的に絶縁された入力部２２１と出力部２２２とを具備し、入力部２２１に入力される信号に応答して出力部２２２がスイッチ動作する。入力部２２１は、抵抗器２６０を介して制御装置２１０に接続された発光素子を具備する。抵抗器２６０の抵抗値は、制御装置２１０が出力する制御信号の電圧と入力部２２１を駆動するための電流とにより決定される。出力部２２２は、光学的に駆動されるＭＯＳ−ＦＥＴを具備し、スイッチとして動作する。また、出力部２２２は、リードリレー２４０とグラウンドＧＮＤＲとの間を導通または遮断する。フォトカプラ２３０は、互いに電気的に絶縁された入力部２３１と出力部２３２とを具備し、入力部２３１に入力される信号に応答して出力部２３２がスイッチ動作する。入力部２３１は、抵抗器２７０を介して制御装置２１０に接続された発光素子を具備する。抵抗器２７０の抵抗値は、制御装置２１０が出力する制御信号の電圧と入力部２２１を駆動するための電流とにより決定される。出力部２３２は、光学的に駆動されるＭＯＳ−ＦＥＴを具備し、スイッチとして動作する。出力部２３２は、リードリレー２５０とグラウンドＧＮＤＲとの間を導通または遮断する。リードリレー２４０は、信号を切り換えるスイッチ２４１と、スイッチ２４１を電磁作用によりオンまたはオフさせるコイル２４２とを備える。コイル２４２は、正電源（＋ＶＲ）とフォトカプラ２２０の出力部２２２とに接続されている。リードリレー２５０は、信号を切り換えるスイッチ２５１と、スイッチ２５１を電磁作用によりオンまたはオフさせるコイル２５２とを備える。コイル２５２は、負電源（−ＶＲ）とフォトカプラ２３０の出力部２３２とに接続されている。そして、フォトカプラ２２０の出力部２２２およびフォトカプラ２３０の出力部２３２が導通状態にある時、コイル２４２に流れる電流とコイル２５２に流れる電流は、ほぼ同等である。

上記のように構成される信号切替装置２００において、制御装置２１０は、フォトカプラ２２０の出力部２２２およびフォトカプラ２３０の出力部２３２ができるだけ同時に、望ましくは完全に同時に導通するように制御信号を出力する。これにより、リードリレー２４０およびリードリレー２５０がほぼ同時もしくは完全に同時に動作し、正電源（＋ＶＲ）からコイル２４２を通ってグラウンドＧＮＤＲへ流れる電流は、そのままコイル２５２を通って負電源（−ＶＲ）へ流れる。その結果、信号切替装置２００は、多数の大きなコモンモードチョークコイルなどのノイズ対策部品や太いグラウンドパターンを必要としない。また、フォトカプラ２２０およびフォトカプラ２３０はＭＯＳ−ＦＥＴ出力フォトカプラであるので、出力部２２２および出力部２３２による電圧降下はリードリレー２４０およびリードリレー２５０の感度電圧に比べて十分に小さい。従って、正電源（＋ＶＲ）および負電源（−ＶＲ）の出力電圧の絶対値は該感度電圧と同じにすることもできる。すなわち、リードリレー２４０などを駆動する電源の選択が容易になる。

信号切替装置２００において、ＭＯＳ−ＦＥＴ出力フォトカプラをトランジスタ出力フォトカプラに代えることもできる。そのような形態の信号切替装置を第二の実施形態として、図３に示す。図３において、信号切替装置３００は、制御装置２１０と、フォトカプラ３２０およびフォトカプラ３３０と、リードリレー２４０およびリードリレー２５０とを備える。制御装置２１０は、フォトカプラ３２０およびフォトカプラ３３０を制御するための信号を出力する装置であって、正電源ＶＤとグラウンドＧＮＤＤとに接続されている。フォトカプラ３２０およびフォトカプラ３３０は、トランジスタ出力フォトカプラである。フォトカプラ３２０は、互いに電気的に絶縁された入力部３２１と出力部３２２とを具備し、入力部３２１に入力される信号に応答して出力部３２２がスイッチ動作する。入力部３２１は、抵抗器２６０を介して制御装置２１０に接続された発光素子を具備する。抵抗器２６０の抵抗値は、制御装置２１０が出力する制御信号の電圧と入力部３２１を駆動するための電流とにより決定される。出力部３２２は、光学的に駆動されるダーリントン接続された２つのトランジスタを具備し、スイッチとして動作する。また、出力部３２２は、リードリレー２４０とグラウンドＧＮＤＲとの間を導通または遮断する。フォトカプラ３３０は、互いに電気的に絶縁された入力部３３１と出力部３３２とを具備し、入力部３３１に入力される信号に応答して出力部３３２がスイッチ動作する。入力部３３１は、抵抗器２７０を介して制御装置２１０に接続された発光素子を具備する。抵抗器２７０の抵抗値は、制御装置２１０が出力する制御信号の電圧と入力部３２１を駆動するための電流とにより決定される。出力部３３２は、光学的に駆動されるダーリントン接続された２つのトランジスタを具備し、スイッチとして動作する。また、出力部３３２は、リードリレー２５０と負電源（−ＶＲ）との間を導通または遮断する。リードリレー２４０は、信号を切り換えるスイッチ２４１と、スイッチ２４１を電磁作用によりオンまたはオフさせるコイル２４２とを備える。コイル２４２は、正電源（＋ＶＲ）とフォトカプラ３２０の出力部３２２とに接続されている。リードリレー２５０は、信号を切り換えるスイッチ２５１と、スイッチ２５１を電磁作用によりオンまたはオフさせるコイル２５２とを備える。コイル２５２は、グラウンドＧＮＤＲとフォトカプラ３３０の出力部３３２とに接続されている。そして、フォトカプラ３２０の出力部３２２およびフォトカプラ３３０の出力部３３２が導通状態にある時、コイル２４２に流れる電流とコイル２５２に流れる電流は、ほぼ同等である。

上記のように構成される信号切替装置３００において、制御装置２１０は、フォトカプラ３２０の出力部３２２およびフォトカプラ３３０の出力部３３２ができるだけ同時に、望ましくは完全に同時に導通するように制御信号を出力する。これにより、リレー２４０およびリレー２５０がほぼ同時もしくは完全に同時に動作し、正電源（＋ＶＲ）からコイル２４２を通ってグラウンドＧＮＤＲへ流れる電流は、そのままコイル２５２を通って負電源（−ＶＲ）へ流れる。その結果、信号切替装置３００は、多数の大きなコモンモードチョークコイルなどのノイズ対策部品や太いグラウンドパターンを必要としない。

本発明の要旨の１つは、リレーのコイルを、共通のグラウンドを有する正電源または負電源のいずれか一方に接続し、かつ、正電源に接続されるコイルに流れる電流量の総和と負電源に接続されるコイルに流れる電流量の総和との差が小さくなるようにコイルが正電源および負電源に振り分けて接続することにある。従って、例えば、同等の性能を有する４０個のリレーは、そのうち２０個が正電源に直接または間接的に接続され、残りの２０個が負電源に直接または間接的に接続される。また、例えば、同等の性能を有するリレーが３９個あった場合、そのうち２０個が正電源に直接または間接的に接続され、残りの１９個が負電源に直接または間接的に接続される。さらに、異なる性能を有するリレーが混在する場合、例えば、定格電流が３０ｍＡのコイルと定格電流が２０ｍＡのコイルとが混在する場合、定格電流が３０ｍＡのコイルを具備する２０個のリレーが正電源に接続され、定格電流が２０ｍＡのコイルを具備する３０個のリレーが負電源に接続されるようにすると良い。なお、これら複数のリレーは、少なくとも２つに分けられたグループ毎に一括制御されても良いし、完全に個別に制御されても良い。

従って、図２または図３に示す信号切替装置において、正電源または負電源に接続されるリレーまたはフォトカプラの数は１つに限定されない。また、正電源と負電源とにそれぞれ接続されるリレーまたはフォトカプラの数は、同数である必要もない。さらに、複数のリレーを１つのフォトカプラで駆動するようにしても良い。またさらに、正電源と負電源のそれぞれの電圧は、同一でも良いし異なっても良い。また、正電源および負電源は、それぞれ１系統である必要もない。例えば、正電源は２系統あり、負電源は１系統であっても良い。ただし、その場合、リレー駆動時にグラウンドに流れ込む電流とグラウンドから流れ出す電流とをできるだけ等しくする。言い換えれば、２つの正電源に接続されるコイルに流れる電流量の総和と負電源に接続されるコイルに流れる電流量の総和との差が小さくなるように、コイルを正電源および負電源に振り分けて接続する。

なお、本書においてグラウンドとは、基準電位を意味し、接地電位に限定されない。また、グラウンドＧＮＤＲおよびグラウンドＧＮＤＤは、それぞれ独立した電位を持ち、それらの電位は同一であっても異なっても良い。

本発明は、リレーの駆動に限定されず、他の種類の電気素子を駆動する場合においても適用可能である。例えば、大型映像表示装置に多数備えられる高輝度ＬＥＤを別々に駆動する場合などにおいても、本発明を適用することができる。

従来の信号切替装置を示す図である。 本発明の第一の実施形態である信号切替装置を示す図である。 本発明の第二の実施形態である信号切替装置を示す図である。

符号の説明

１００，２００，３００ 信号切替装置
１１０，２１０ 制御装置
１２０ トランジスタアレイ
１３０ リレー
１３１ スイッチ
１３２ コイル
２２０，２３０，３２０，３３０ フォトカプラ
２２１，２３１，３２１，３３１ 入力部
２２２，２３２，３２２，３３２ 出力部
２４０，２５０ リードリレー
２４１，２５１ スイッチ
２４２，２５２ コイル
２６０，２７０ 抵抗器

Claims (7)

1. 複数の電気素子を駆動する方法であって、
   共通の基準電位に接続された正電源または負電源のいずれか一方から前記電気素子のそれぞれに電流を供給し、かつ、前記正電源から前記電気素子に供給する総電流量と前記負電源から前記電気素子に供給する総電流量との差が小さくなるように、正電源および負電源が分担して前記電気素子のそれぞれに電流を供給するステップと、
   前記正電源および前記負電源から電気的に絶縁された装置からの信号に応答して、前記電気素子に流れる電流を導通または遮断するステップと、
   を含む方法。
2. 複数の電気素子を駆動する装置であって、
   複数のスイッチ手段を備え、
   前記スイッチ手段は、互いに電気的に絶縁された入力部とスイッチ部とを具備し、前記スイッチ部は、前記入力部に入力される信号に応答してスイッチ動作し、
   前記スイッチ手段のそれぞれのスイッチ部は、少なくとも１つの前記電気素子を介して、共通の基準電位に接続された正電源または負電源のいずれか一方に接続され、かつ、前記正電源に接続される前記スイッチ部に流れる電流量の総和と前記負電源に接続される前記スイッチ部に流れる電流量の総和との差が小さくなるように前記電気素子が正電源および負電源に振り分けて接続される、
   ことを特徴とする記載の電気素子駆動装置。
3. さらに、前記正電源に接続される前記スイッチ部と前記負電源に接続される前記スイッチ部とがほぼ同時に導通状態にされる、
   ことを特徴とする請求項２に記載の電気素子駆動装置。
4. 複数の信号を切り換える信号切替装置であって、
   複数のリレーと複数のフォトカプラとを備え、
   前記フォトカプラのそれぞれの出力部は、少なくとも１つの前記リレーのコイルと接続され、
   前記リレーのそれぞれのコイルは、共通のグラウンドを有する正電源または負電源のいずれか一方に接続され、かつ、前記正電源に接続される前記コイルに流れる電流量の総和と前記負電源に接続される前記コイルに流れる電流量の総和との差が小さくなるように前記コイルが正電源および負電源に振り分けて接続される、
   ことを特徴とする記載の信号切替装置。
5. さらに、前記正電源に接続される前記コイルと前記負電源に接続される前記コイルとがほぼ同時に駆動されるように前記フォトカプラのそれぞれを制御する制御装置を備える、
   ことを特徴とする請求項４に記載の信号切替装置。
6. 前記フォトカプラは、トランジスタ出力フォトカプラであることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の信号切替装置。
7. 前記フォトカプラは、ＭＯＳ−ＦＥＴ出力フォトカプラであることを特徴とする請求項４または請求項５のいずれかに記載の信号切替装置。
   

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