JP4525498B2

JP4525498B2 - リレー制御装置

Info

Publication number: JP4525498B2
Application number: JP2005200562A
Authority: JP
Inventors: 隆平藤本; 哲也福本
Original assignee: Omron Corp
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2005-07-08
Filing date: 2005-07-08
Publication date: 2010-08-18
Anticipated expiration: 2025-07-08
Also published as: JP2007018927A

Description

本発明は、接点機構を備えるリレーの制御装置に関し、特に、氷点下の低温環境下でリレー接点が誤動作しないようにリレー接点の駆動電流を制御するリレー制御装置に関する。

リレーコイルに直流電流を供給して、リレー接点を閉状態に維持するリレー装置では、リレー駆動電流でリレーコイルの発熱が過大になったりリレーコイルが熱破壊しないように、電流値を一定以下に制御する。

電流値を一定以下に制御する典型的な装置として、例えば、リレーコイルのコイル電圧を検出し、コイル電圧が所定の電圧に近づくようにリレー駆動電流（パルス電流）のデューティ比をＰＷＭ制御するリレー制御装置がある（特許文献１）。この装置によれば、バッテリ電圧が変動しても一定のコイル電圧を保つことができ、コイルの発熱を抑制することができる。

また、リレー接点を一旦ＯＮした後は、外部負荷の変化（抵抗値）を検出し、この検出値に基づいてリレー駆動電流（パルス電流）のデューティ比をＰＷＭ制御するようにしたリレー制御装置がある（特許文献２）。さらに、リレー接点のチャタリング防止の見地からリレー駆動電流をＰＷＭ制御する装置が提案されている（特許文献３）。
特開２００４−１７８９６７号公報特許第３４６５６２１号特開２００４−９５２１３号公報

リレー装置の容器内の空間には水分が存在し、この水分は氷点下（セ氏零度）以下になると氷結に至る。そこで、低温環境下において、リレーコイルに電流を流してリレーコイルを発熱させ、再び、その電流を停止してリレーコイルの発熱を停止する操作が行われると、リレー接点廻りでの熱サイクルが氷点下において生じることになり、この熱サイクルによって低温環境下にて水分蒸発が生じ、それによりリレー接点に、それまでより大きな氷が形成されることがある。特に、熱容量が大きく且つ熱伝導率が高いヒートシンクにリレー装置が設けられ、リレー接点がこのヒートシンクに対して熱的に結合している場合に、そのような現象が表れやすくなる。その理由は、ヒートシンク自体がマイナス温度になっている状況で上記熱サイクルが起きると、リレーコイルに流す電流を停止したときにリレー接点が周囲に対し相対的に急激に冷却されることになり、その部分で結露する水分量が多くなり、その結果、より大きな氷が形成されることになるからである。リレー接点の可動を妨げるような氷の存在は、当然に動作不良を誘発し、場合によっては重大な事故を起こす可能性がある。

上記のような氷結の可能性のあるリレー装置を使用するものとしては、例えば自動車の電動パワーステアリング装置がある。電動パワーステアリング装置では、数アンペア〜１００アンペア程度の大電流を供給するパワーモジュールが使用されるが、このような装置ではパワーモジュールが冷却用のヒートシンクを備え、リレー装置を含む制御基板が熱的に結合したヒートシンクに固定されている。そこで、このような電動パワーステアリング装置を備える自動車が寒冷地で冷えきった状態にあるときに、運転者がエンジンの入切りを行うと、大きな氷がリレー接点部に付着してリレー装置が正しく動作せず、エンジン始動ができなかったり異常動作を起こす可能性があった。

一方、リレー接点部に氷や異物が存在していてもリレー接点の接圧が十分に大きいと、接点が閉じる時にその氷や異物を破壊してしまうことが可能である。したがって、リレーコイルには、発熱しない範囲でなるべく大きな駆動電流を供給することが望ましいと言える。

しかしながら、上記特許文献１〜３に示す装置は、いずれも、リレー駆動電流を周囲温度に無関係に一定の値にしているために、低温環境下において、リレー接点廻りの水蒸気の発生及び氷結を防ぐことと、十分な接圧確保を実現することとを同時に実現することができない。すなわち、低温時に水分蒸発が生じない程度にリレー駆動電流を抑えると、常温時において十分な接圧を確保し難くなる可能性があり、反対に常温時に十分な接圧を確保できる程度にリレー駆動電流を設定すると、低温時に水分蒸発が生じて大きな氷を生成する可能性がでてくる。

本発明は、低温環境下に置かれてもリレー接点部において水蒸気が発生することを防止し、且つ、常に、十分なリレー接点部の接圧を確保することのできるリレー制御装置を提供することを目的とする。

本発明に係るリレー制御装置は、リレー接点を開閉するリレーコイルに駆動電流を供給するリレー駆動回路と、リレー接点の周辺温度を検出する温度センサとを備えている。

そして、前記リレー駆動回路は、前記温度センサがセ氏零度以下又は所定のマイナス温度以下を検出している時に、前記リレーコイルに供給する平均駆動電流を常温時における平均駆動電流よりも小さくする。

このように構成することにより、セ氏零度以下又は所定のマイナス温度以下の低温環境下では、リレーコイルの発熱を押さえることができるため、そのときの平均駆動電流を適切に減少させれば、リレーコイルの発熱による水分蒸発を防ぐことができる。また、常温等、上記低温を上回る環境下では氷結の問題がなく十分な電流でリレーコイルを駆動することができるから、リレー接点部の接圧を十分に確保できる。

また、本発明に係るリレー制御装置は、リレー接点を開閉するリレーコイルに駆動電流を供給するリレー駆動回路と、
リレー接点の周辺温度を検出する温度センサと、を備え、
前記リレー駆動回路は、前記温度センサがセ氏零度以下又は所定のマイナス温度以下を検出している時に、前記リレーコイルに供給する平均駆動電流を常温時における平均駆動電流よりも小さくするとともに、そのときの温度に対応した電流値に設定する。

このように構成することにより、セ氏零度以下又は所定のマイナス温度以下の低温環境下では、水蒸気の発生の防止とリレー接点部の接圧確保をさらに適切なものにできる。すなわち、温度が低くなれば、リレーコイルの発熱量に対する水分蒸発量も少なくなるため、より低い温度（例えばマイナス２０度）では、平均駆動電流をより大きくすることで、水分蒸発を防止しつつリレー接点部の接圧をより高くできる。また、より低い温度でリレーコイルに供給する平均駆動電流を大きくすることにより、小さな氷や塵等が接点に付着しても、これを破壊することができるため、接圧の確実性を高めることができる。

前記リレーコイルに供給する駆動電流は、ＰＷＭ制御することで、その平均駆動電流を容易に制御することが可能である。そのときの駆動電流の周波数は数ＫＨｚ〜１０数ＫＨｚ程度が適当である。リレーコイルはインダクタ成分であることから、リレーの応答性は、通常、数ＫＨｚ〜１０数ＫＨｚ程度の周波数に追いつかない。このため、バッテリから供給される直流電流をＰＷＭ制御してパルス状の電流にしても、その電流変化はリレー接点の開閉動作に影響を及ぼさない。リレー接点の開閉動作と接圧は、ＰＷＭ制御される駆動電流の平均値により決定される。

本発明のリレー制御装置を、自動車の電動パワーステアリング装置に適用することで、寒冷地においてイグニッションスイッチの操作が繰り返されたときに氷結を原因としてリレーが開閉しなくなるという不具合を防止することができる。

本発明によれば、リレー接点の接圧が低下しないようにしつつ、低温環境下で氷結によるリレー接点の誤動作を防ぐことができる。

図１は、本発明の実施形態であるリレー装置を用いた電動パワーステアリング装置のパワーモジュールの概念図である。このパワーモジュールは、低温のマイナス２〜３０度〜高温の５０度程度の範囲で温度変化を受ける自動車のエンジンルーム内等に設置され、その環境下で、ステアリングシャフトに対して操舵アシスト力を与えるためのモータ（図示せず）に数１０アンペア〜１００アンペア程度のモータ駆動電流を供給する。

ケース１内にはリレー２がアルミニウム製基板３に取り付けられ、同基板３には、上記モータ駆動電流の流れるパワートランジスタ等の半導体スイッチング素子４やその他の電子部品が実装されている。基板３は、さらにアルミニウム製ヒートシンク５に取り付けられている。アルミニウム基板３上には、電子部品６とともにサーミスタ７が実装され、サーミスタ７は、リレー２の周辺温度を検出する。なお、サーミスタ７は、リレー２の周辺温度を検出できる場所ならどこに設けても良い。

リレー２は、ケース２０と、ケース２０内に設けられるリレー部品とを備え、リレー部品には、リレーコイル２１、リレー固定接点２２、リレー可動接点２３が含まれ、アルミニウム基板３上に形成されている回路には、リレーコイル２１、リレー固定接点２２、リレー可動接点２３の各々から延びている端子が接続されている。アルミニウム基板３とヒートシンク５とは、電気的に絶縁されており、又は、基準電位で電気的に接続されているが、両者は熱的には連結されている。このため、リレー２の各端子は、ヒートシンク５に熱的に結合し、ヒートシンク５が冷えているときのエンジン始動時などでは、リレーコイル２１に電流が流れることによりリレー全体が加熱されても、その後にイグニッションスイッチをオフすれば、リレー接点２２、２３は急速に冷却される。ヒートシンク5はアルミニウム製で、その熱伝導率が高いため、リレー接点２２、２３が急速に冷却される。

図１において、リレー固定接点２２の表面に氷Ａが付着している。この氷Ａは、周囲の水分が結露し、これが氷点下で氷結して形成されたものである。氷Ａは、その硬度が小さく、また、比較的小さいものであれば、リレー可動接点２２が可動したときの接圧で破壊するため、接点間の導通に問題を起こすことはない。しかし、氷Ａが大きいと、リレー可動接点２２が可動したときの力では氷が破壊せず、接点同士が導通しなくなったりする等の誤動作をする。

本実施形態のリレー制御装置では、氷Ａができても、体積の大きな氷に成長しないようにリレーコイル２１に流す駆動電流を適切な大きさに制御する。すなわち、リレーコイル２１に流す駆動電流は、リレー２の温度が氷点下（セ氏零度以下）以下を保持するようにＰＷＭ制御される。また、その大きさは、温度が低くなるほど大きくなるようにＰＷＭ制御される。

図２は、リレー制御装置の回路構成図である。

バッテリＢＴの電圧はイグニッションスイッチＳＷを介してリレー２のリレーコイル２１に印加され、リレーコイル２１は、スイッチングトランジスタＴＲに接続されている。スイッチングトランジスタＴＲの制御端子にはリレー駆動回路を構成するＣＰＵ１０からＰＷＭ信号が供給され、ＰＷＭ信号によりトランジスタＴＲが駆動される。

リレー２のリレー固定接点２２とリレー可動接点２３は、それぞれ、バッテリＢＴとＥＣＵ（Electronic Control Unit）への出力端子に接続されている。また、ケース１内には、２つのサーミスタＴＨ１、ＴＨ２（サーミスタ７）が配置され、それぞれが直列接続されるとともに、抵抗Ｒを介して電源電圧Ｖｃｃに接続されている。入力２つのサーミスタＴＨ１、ＴＨ２は、それぞれ、同一の特性を有し、リレー２の周辺温度、具体的にはアルミニウム基板３の温度を検出する。各サーミスタＴＨ１、ＴＨ２の端子は、それぞれＣＰＵ１０の入力端子Ｉ１、Ｉ２に接続されている。したがって、各サーミスタＴＨ１、ＴＨ２が正常に機能している限り、ＣＰＵ１０の入力端子Ｉ１には、Ｖｃｃ×（ＴＨ１＋ＴＨ２）／（Ｒ＋ＴＨ１＋ＴＨ２）の電圧が入力し、入力端子Ｉ２には、Ｖｃｃ×（ＴＨ２）／（Ｒ＋ＴＨ１＋ＴＨ２）の電圧が入力する。このような構成にしていることから、２つの入力端子Ｉ１、Ｉ２の電圧は温度にかかわらず略一定の比率となり、いずれか一方のサーミスタが不良になれば、それらの入力電圧の比率が大きく変化することとなり、適正な温度検出が行われていないことがわかる。もし、１つのサーミスタだけで温度検出を行うとすれば、そのサーミスタが異常状態になったときに、サーミスタが異常なのか温度が異常なのか直ちにはわからない。しかし、本実施形態のように、サーミスタを二重に接続することにより、いずれかのサーミスタが異常状態になった場合に、そのことを容易に検出できる。

次に動作を説明する。

図３は、イグニッションスイッチＳＷがオンされた後の、ＣＰＵのリレー駆動手順を示すフローチャートである。

ステップＳＴ１では、サーミスタ７（サーミスタＴＨ１、ＴＨ２）により温度検出を行う。ＳＴ２において検出温度がセ氏零度以下（氷点下）のマイナス５度以下であるかどうか判断し、マイナス５度を超えていれば（常温等）、ＳＴ５でリレーコイル２にデューティ比１００％の電流を供給する。マイナス５度よりも低いと、その時の温度に基づいてスイッチングトランジスタＴＲを駆動するＰＷＭ信号のデューティ比を設定し、ＳＴ４において、そのデューティ比のＰＷＭ信号をスイッチングトランジスタＴＲの制御端子に供給する。これにより、リレーコイル２に流れる平均駆動電流は上記ＰＷＭ信号に応じたものとなる。図４は、リレーコイル２に流れる駆動電流波形を示している。リレーコイル２のインダクタ成分により、図示のように電流波形は鈍ったものとなる。ＰＷＭ信号のデューティ比を上げれば、平均駆動電流値（Ａｖｅ）は上がり、デューティ比を下げれば、平均駆動電流値（Ａｖｅ）は下がる。

図５は、リレーコイルの温度がセ氏零度を超えないための駆動電流のデューティ比（ＰＷＭ信号のデューティ比）を示している。

図５において、縦軸は上記ＰＷＭ信号のデューティ比とリレーコイルの平均駆動電流値を、横軸はサーミスタ７による検出温度を示している。また、符号ａは、リレー接点の閉状態を保証する最低電流、符号ｂは、リレー接点の閉状態を保証する推奨電流をそれぞれ示し、符号ｃは、マイナス５度〜マイナス２０度までの氷点下において、リレーコイル２１の温度がセ氏零度以下に保持されるＰＷＭ信号のデューティ比を示す。また、符号ｄは、デューティ比が最低のｃ１（５５％）のときの平均駆動電流を示し、符号ｅは、デューティ比が最高のｃ２（９５％）のときの平均駆動電流を示す。平均駆動電流は、少なくとも最低電流ａ以上である必要があり、推奨電流ｂ以上が一定の接圧を確保する上で望ましく、推奨電流ｂ以上であればあるほど、リレー接点の確実な閉状態を確保できる。

図示するように、平均駆動電流ｄは、最低電流ａ以上で且つ推奨電流ｂ付近にあり、平均駆動電流ｅは推奨電流ｂを大きく超えている。平均駆動電流は、ＰＷＭ信号のデューティ比に応じて、ｅとｄ間で変動し、デューティ比が上がればｅに近くなり（大きくなり）、デューティ比が下がればｄに近くなる（小さくなる）。

したがって、マイナス５度以下において、リレーコイル２１に流れる駆動電流を符号ｃのように検出温度に基づいてＰＷＭ制御することで、リレー接点の閉状態を保証しつつ、リレー温度がセ氏零度以下に保持されることを保証する。

図６のように、マイナス５度以下において、上記デューティ比を符号ｇの４５％に固定しても良く、その場合は、マイナス５度〜マイナス２０度の範囲で上記平均駆動電流は符号ｆのように２２ｍＡ程度となる。

しかし、図５に示す実施例のように、温度が低くなるほどデューティ比を上げることにより、低温程接圧を大きくすることになるから、小さな堅い氷等がリレー接点に付着していても、これを破壊してリレー接点の接触を確実なものにできる。

以上の実施形態においては、０〜マイナス５度の範囲でのデューティ比を１００％としているが、この範囲では氷ができても固くないため、デューティを１００％近くに制御しても良い。すなわち、０〜マイナス５度の範囲で形成される氷については、その形状が大きくてもリレー接点の接圧で破壊することが可能である。もちろん、この範囲においてもリレー温度がセ氏零度以下に保持されるようデューティ比を設定することも可能である。

また、他の実施形態として、図３のＳＴ２において、検出温度がセ氏零度以下がどうかを判定し、セ氏零度以下であればＳＴ３に進み、セ氏零度を超えているときにＳＴ５に進むようにしても良い。この場合、図５の実施例では、符号ｃで示す特性がマイナス２０度からセ氏零度付近までデューティ比を下げ、セ氏零度でデューティ比を１００％となる制御を行う。また、図６の実施例では、符号ｇで示す特性がマイナス２０度からセ氏零度付近までデューティ比を４５％とし、セ氏零度でデューティ比を１００％となる制御を行う。

その他、図３のＳＴ２に判定する温度は、セ氏零度以下の温度であれば任意であって良い。

本発明の実施形態であるリレー装置を用いた電動パワーステアリング装置のパワーモジュールの概念図リレー制御装置の回路構成図イグニッションスイッチＳＷがオンされた後の、ＣＰＵのリレー駆動手順を示すフローチャートコイル電流の波形図ＰＷＭ信号のデューティ比とコイル電流を示す図ＰＷＭ信号のデューティ比とコイル電流を示す図（他の例）

Claims

リレー接点を開閉するリレーコイルに駆動電流を供給するリレー駆動回路と、
リレーの周辺温度を検出する温度センサと、を備え、
前記リレー駆動回路は、前記温度センサがセ氏零度以下又は所定のマイナス温度以下を検出している時に、前記リレーコイルに供給する平均駆動電流を常温時における平均駆動電流よりも小さくすることを特徴とするリレー制御装置。
リレー接点を開閉するリレーコイルに駆動電流を供給するリレー駆動回路と、
リレーの周辺温度を検出する温度センサと、を備え、
前記リレー駆動回路は、前記温度センサがセ氏零度以下又は所定のマイナス温度以下を検出している時に、前記リレーコイルに供給する平均駆動電流を常温時における平均駆動電流よりも小さくするとともに、そのときの温度に対応した電流値に設定することを特徴とするリレー制御装置。
前記リレー駆動回路は、前記温度センサで検出したセ氏零度以下又は所定のマイナス温度以下の温度が低いほど前記リレーコイルに供給する平均駆動電流を大きくすることを特徴とする請求項２記載のリレー制御装置。
前記リレー駆動回路は、前記リレーコイルに対してＰＷＭ制御された駆動電流を供給する、請求項１〜３のいずれかに記載のリレー制御装置。