JP4453006B2 - リレー駆動回路 - Google Patents

Description

本発明は、リレー駆動回路に関する。

従来、自動車の種々の負荷に電流を供給するための回路はリレーを備えて構成されており、例えば、図３に示すように、リレー１のコイル２の一端が車載バッテリー３の電圧出力端子に接続され、他端がスイッチＳＷを介してアースされるとともに、リレー１の接点部１Ａの一端側が車載バッテリー３の電圧出力端子に接続され、他端側が負荷４を介してアースされて構成されている。

そして、スイッチＳＷをオンし、リレー１の接点部１Ａを作動させるために必要な電流がコイル２に流されると、接点部１Ａが導通する作動状態になる一方、スイッチＳＷをオフし、作動状態を維持できる電流がコイル２に流れなくなると、接点部１Ａが非導通の復帰状態に戻るようになっている。

ここで、自動車においてリレー、ヒューズやコネクタなどの回路部品は電気接続箱に集中して搭載されているが、これらの回路部品は発熱するので、各部品から生じる熱が他の制御機器等に影響を及ぼさないようにする必要がある。特に、近年の車載電装品の増加に伴うリレー数の増加や、リレーの小型化による配置の高密度化により発熱による影響が大きくなっており、より一層発熱を抑制することが求められる。

ところで、リレーを作動状態に切り替えるのに必要な作動電圧（例えば、約７〜８Ｖ）は、作動状態にあるリレーが復帰状態に戻らないようにするのに必要な復帰電圧（例えば、約２〜３Ｖ）よりも大きく、リレーが作動状態に推移した後においても作動電圧をリレーに連続的に印加し続けることは、作動電圧と復帰電圧の電圧差分だけ、リレーは余分に電力を消費し、不要な発熱をしていることになる。

そこで、図４に示すように、高電圧電源５（バッテリ）と低電圧電源６との２種類の電源を用意するとともに、高電圧電源５からコイル８に至る経路上に接続切替回路９を配し、リレー７の接点部７Ａを導通させるときには、接続切替回路９のトランジスタＱをオンすることで高電圧電源５によりリレー７の接点部７Ａを導通させて作動状態にする一方で、一旦作動状態に切り替えられた後にはトランジスタＱをオフし、低電圧電源６により作動状態を維持することが考えられた。このようにすれば、接点部７Ａの導通を維持する際の不要な電力を低減することができ、その分の発熱を抑制することができる。
特開平１０−１４４１９７号公報

しかしながら、高電圧電源と低電圧電源の２種類の電源を用意するとともに、これら２種類の電源を接続切替回路で切り替える構成とすると、部品点数が増加するだけでなく、回路構成が複雑になる。
本発明は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、簡易な構成で消費電力を低減し、発熱を抑制することができるリレー駆動回路を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための手段として、請求項１の発明は、リレーコイルと、これと直列に設けたスイッチング素子とを備えたリレー駆動回路において、前記リレーコイルには逆並列にダイオードを接続すると共に、前記スイッチング素子の制御端子にパルス電圧を印加するスイッチング制御回路を設け、前記パルス電圧のパルス幅および振幅は、前記リレーコイルを流れる電流の最大値がリレーを作動状態に推移させるに必要な値以上となるように設定され、かつ、前記パルス電圧のパルス幅およびパルス周期は、前記リレーが前記作動状態を維持するに必要な値の電流が流れるとともに前記パルス電圧のオフ期間に前記リレーコイルを流れる電流が前記リレーを作動状態に推移させるに必要な値以下に減少した後に前記パルス電圧のオン電圧が印加されるように設定されている構成としたところに特徴を有する。

請求項２の発明は、請求項１に記載のものにおいて、前記スイッチング制御回路は、マイクロコンピュータを含んで構成され、前記パルス電圧は前記マイクロコンピュータの所定のポートからの信号に基づき生成されるところに特徴を有する。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載のものにおいて、前記リレー駆動回路は、車両に搭載されるものであるところに特徴を有する。

＜請求項１の発明＞
本構成によれば、リレーを作動状態にするには、スイッチング素子をパルス駆動する。すると、リレーコイルへは電源からスイッチング素子のオン期間にのみ電流が流れ込み、オフ期間には電源から電流が流れ込まない。その代わり、スイッチング素子のオフ期間には、リレーコイルに逆並列に接続したダイオードがリレーコイルの逆起電力に起因してオンすることで、リレーコイルに蓄えられた電磁エネルギーによってリレーコイルに電流が流れ続ける。このため、電源から供給を受ける電力は少なくてもリレーの作動状態を維持でき、リレーコイルにほぼ一定の電流が連続的に電源から流れ込む従来方式に比べて、消費電力の低減及び発熱を抑制することができる。
また、スイッチング素子のオン期間におけるピーク電流が、リレーが作動状態に推移できる電流値を上回るように設定しておくだけで、リレーが作動状態に推移する瞬間と、それ以後の作動状態の維持期間とで、リレーコイルに流れ込む電流を制御しなくても省電力化が可能であるから、図４に示したような電源電圧を２種類準備する必要があった従来構成に比べて、回路が極めて簡単になる。

＜請求項２の発明＞
本来的に他用途のために設けられているマイクロコンピュータを利用してリレー駆動回路の一部を構成できるので、パルス駆動化に伴う部品点数の増加を避けることができ、パルス幅・周期の設定を柔軟に変更することができる。

＜請求項３の発明＞
リレー駆動回路がリレーを高密度に集約する必要の生じる車両に搭載されるものである場合には、リレーから生じる熱も多くなり、他の制御機器等の誤動作等の要因になりうるが、本構成によれば、消費電力の低減に伴って発熱量も低減し、熱による他の制御機器等の誤動作等を防止することができる。

本発明の実施形態を図１及び図２を参照しつつによって説明する。
本発明の１実施形態に係るリレー駆動回路は、車両内に搭載されるものであり、車両のバッテリ（電源）から負荷Ｌ（ランプ等）に至る経路上に配されるリレー１０と、このリレー１０内部のリレーコイル（以下、「コイル１１」という）に逆並列に接続されるフライホイールダイオード（以下、「ダイオードＤ１」という）と、コイル１１に直列接続されるｎｐｎトランジスタ（以下、「トランジスタＱ１」という。本発明の「スイッチング素子」に相当）と、トランジスタＱ１のベース（制御端子）にパルス電圧Ｖｐを印加するＥＣＵ４０（本発明の「スイッチング制御回路」に相当）とを備えて構成されている。なお、バッテリの電圧（約１２Ｖ）は図示しない降圧回路で作動電圧（約７〜８Ｖ）よりやや高い電圧まで降下されており、かかる降下後の電圧がリレー１０に供給されるようになっている。

リレー１０は、バッテリと負荷Ｌとの間に介設され通常時には開放（ノーマリオープン）された状態の接点部１０Ａと、接点部１０Ａと並んで配置されるコイル１１とから構成されており、コイルに所定電流以上の電流が流れるとその電磁的作用により接点部１０Ａが導通する作動状態となり、接点部１０Ａを介してバッテリから負荷Ｌに電流が供給されるようになっている。

ＥＣＵ４０（Engine Control Unit)は、マイコン４１（マイクロコンピュータ）と、振幅が一定のパルス電圧を生成するパルス電圧生成回路４２とを備えて構成されており、パルス電圧生成回路４２で生成されるパルス電圧がマイコン４１の所定のポートからの信号を受けることにより、パルス電圧のパルス幅が変更（変調）され（ＰＷＭ制御）、かかるパルス幅のパルス電圧ＶｐがＩ／Ｏ４３を介してトランジスタＱ１のベースに出力されるようになっている。

このパルス電圧Ｖｐのパルス幅および振幅は、パルス電圧ＶｐをトランジスタＱ１のベースに印加することにより、コイル１１を流れる電流Ｉｃの最大値がリレー１０を作動状態に推移させるに必要な値（図２の閾値Ａ）以上となる大きさに設定されている。なお、バッテリ電圧の変動等によりコイル１１に印加される電圧が変動した場合には、その変動量に応じてパルス電圧のパルス幅が変更（変調）され、リレー１０が作動状態に推移する。

また、パルス電圧Ｖｐのパルス周期Ｔは、リレー１０が作動状態を維持するに必要な値の電流Ｉｃがコイル１１に流れるように設定されている。具体的には、パルス電圧Ｖｐをオフ（トランジスタＱ１をオフ）したときに、コイル１１に生じる逆起電力に起因してダイオードＤ１を通ってコイル１１に環流する電流Ｉｃの電流値が、所定値（図２の閾値Ｂ）以下まで下がる前に次のパルス電圧Ｖｐが印加される周期に設定されている。そして、次の周期のパルス電圧Ｖｐ（オン電圧）の印加により、再びトランジスタＱ１がオンし、コイル１１を流れる電流Ｉｃが増加するようになっている。

マイコン４１は、車両における例えば、エンジン部、空調調節部、オーディオ、ドアロック部等にＩ／Ｏ４３を介して信号を送出するように構成されており、車両内の各部をマイコン４１から集中制御できるようになっている。

トランジスタＱ１は、ＥＣＵ４０のパルス電圧生成回路４２で生成されたパルス電圧Ｖｐをベースに受けることでオン（パルス駆動）状態となり、コイル１１からの電流Ｉｃを当該コイル１１と直列に配されたコレクタ側の端子から受けるとともに、エミッタ側からアースに電流を放出するようになっている。

ダイオードＤ１は、電源電流とは逆方向であって、コイル１１に並列（即ち、逆並列）に接続されている。これにより、トランジスタＱ１のオフ時（オフ期間）に、コイル１１に生じた逆起電力によりダイオードＤ１を通った電流がコイル１１に環流するようになっている。これにより、コイル１１に発生した逆起電力に起因してトランジスタＱ１にサージ電圧がかかることを防止することができるだけでなく、ダイオードＤ１を通って再びコイル１１に環流した電流Ｉｃをリレー１０の接点部１０Ａの作動状態を維持するために利用することができる。

次に、リレー駆動回路の動作について説明する。
ＥＣＵ４０のパルス電圧生成回路４２から送出されたパルス電圧Ｖｐ（パルスのオン電圧）がトランジスタＱ１のベースに供給されるとトランジスタＱ１がオンになり、コイル１１に電流Ｉｃが流れるとともに、その電流ＩｃがトランジスタＱ１のコレクターエミッタ間に流れ始める。そして、リレー１０の非導通の状態（復帰状態）の接点部１０Ａが導通されるに必要な所定電流Ｉｃ（図２の閾値Ａ以上の電流）がコイル１１を流れることで、リレー１０の接点部１０Ａが導通（図２の接点部の出力電圧ＯＮ）する作動状態となり、リレー１０の接点部１０Ａを介してバッテリから負荷Ｌに電流が供給される。

一方、トランジスタＱ１のベースに供給されるパルス電圧Ｖｐがオフ（０電圧）されるとトランジスタＱ１がオフし、コレクターエミッタ間に電流が流れなくなるが、コイル１１にはパルス電圧Ｖｐのオン電圧時（オン期間）に電流Ｉｃが流れていた方向に継続して電流を流そうとする逆起電力が生じる。この逆起電力により流れる電流Ｉｃはコイル１１とは逆並列に設けられたダイオードＤ１を通って再びコイル１１に環流する。これにより、パルス電圧Ｖｐがオフ（オフ期間）になっても、コイル１１に流れる電流Ｉｃはすぐには０にならず、徐々に減少していく（図２参照）。

そして、コイル１１を流れる電流Ｉｃがリレー１０の接点部１０Ａが復帰状態に戻る限界の電流値（図２の閾値Ｂ）まで減少する前に、次にパルス電圧Ｖｐのオン電圧が印加（オン期間が開始）されるパルス周期Ｔとなっているから、次の周期のパルス電圧Ｖｐの開始により再びコイル１１を流れる電流Ｉｃが増加してリレー１０の接点部１０Ａが導通した作動状態が維持される。

なお、負荷Ｌへの電流の供給を止めるときには、図２の閾値Ｂ以下（コイル１１に印加される電圧が作動状態を維持できない復帰電圧以下）に電流値が下がる所定時間Ｔ’（Ｔ’＞Ｔ）まで、パルス電圧Ｖｐのオフを継続することで、リレー１０の接点部１０Ａが非導通の復帰状態に戻る。

このように、本実施形態によれば、リレー１０を作動状態にするには、トランジスタＱ１（スイッチング素子）をパルス駆動する。すると、コイル１１へはバッテリ（電源）からトランジスタＱ１のオン期間にのみ電流Ｉｃが流れ込み、オフ期間にはバッテリから電流が流れ込まない。その代わり、トランジスタＱ１のオフ期間には、コイル１１に逆並列に接続したダイオードＤ１がコイル１１の逆起電力に起因してオンすることで、コイル１１に蓄えられた電磁エネルギーによってコイル１１に電流Ｉｃが流れ続ける。このため、バッテリから供給を受ける電力は少なくてもリレー１０の作動状態を維持でき、コイル１１にほぼ一定の電流が連続的に電源から流れ込む従来方式に比べて、消費電力の低減及び発熱を抑制することができる。

また、トランジスタＱ１のオン期間（パルス電圧Ｖｐのオン電圧時）におけるピーク電流Ｉｃ（図２において少なくとも最初のパルスにより生じるピーク電流値Ｃ）が、リレー１０が作動状態に推移できる電流値（閾値Ａ）を上回るようにパルス電圧Ｖｐのパルス幅及び振幅を設定するとともに、リレー１０が作動状態を維持（電流値が閾値Ｂより下がらない）できるパルス周期Ｔを設定しておくだけで、リレー１０が作動状態に推移する瞬間と、それ以後の作動状態の維持期間とで、コイル１１に流れ込む電流Ｉｃを制御しなくても省電力化が可能であるから、図４に示したような電源電圧を２種類準備する必要があった従来構成に比べて、回路が極めて簡単になる。

さらに、本来的に他用途のために設けられているマイコン４１を利用してリレー駆動回路の一部を構成できるので、パルス駆動化に伴う部品点数の増加を避けることができ、パルス幅・周期Ｔの設定を柔軟に変更することができる。

また、リレー駆動回路がリレー１０を高密度に集約する必要の生じる車両に搭載されると、リレー１０から生じる熱も多くなり、他の制御機器等の誤動作等の要因になりうるが、本実施形態によれば、消費電力の低減に伴って発熱量も低減し、熱による他の制御機器等の誤動作等を防止することができる。

＜他の実施形態＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。
（１）ＥＣＵからのパルス電圧Ｖｐは、ｎｐｎトランジスタのベースに出力されることとしたが、これに限らず、ｐｎｐトランジスタのベースに出力されるようにしてもよい。また、スイッチング素子として上記トランジスタの代わりにＦＥＴ（電界効果トランジスタ）を用いてもよい。この場合、ＦＥＴのゲートにパルス電圧Ｖｐが印加されることになる。

本実施形態のリレー駆動回路の全体的構成を示す図 パルス電圧及びコイル電流のタイミングチャート 従来の一定電圧が連続的に印加されるリレー駆動回路 ２種類の電源の必要な電源リレー駆動回路

符号の説明

１０…リレー
１０Ａ…接点部
１１…リレーコイル
４０…ＥＣＵ（スイッチング制御回路）
４１…マイコン（マイクロコンピュータ）
４２…パルス電圧生成回路
Ｄ１…ダイオード
Ｑ１…ｎｐｎトランジスタ（スイッチング素子）
Ｉｃ…リレーコイルを流れる電流
Ｖｐ…パルス電圧

Claims (3)

1. リレーコイルと、これと直列に設けたスイッチング素子とを備えたリレー駆動回路において、
   前記リレーコイルには逆並列にダイオードを接続すると共に、前記スイッチング素子の制御端子にパルス電圧を印加するスイッチング制御回路を設け、
   前記パルス電圧のパルス幅および振幅は、前記リレーコイルを流れる電流の最大値がリレーを作動状態に推移させるに必要な値以上となるように設定され、かつ、前記パルス電圧のパルス幅およびパルス周期は、前記リレーが前記作動状態を維持するに必要な値の電流が流れるとともに前記パルス電圧のオフ期間に前記リレーコイルを流れる電流が前記リレーを作動状態に推移させるに必要な値以下に減少した後に前記パルス電圧のオン電圧が印加されるように設定されていることを特徴とするリレー駆動回路。
2. 前記スイッチング制御回路は、マイクロコンピュータを含んで構成され、前記パルス電圧は前記マイクロコンピュータの所定のポートからの信号に基づき生成されることを特徴とする請求項１記載のリレー駆動回路。
3. 前記リレー駆動回路は、車両に搭載されるものであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のリレー駆動回路。

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