JP4775588B2 - 入力保護装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子機器の入力監視、及び突入電流やバーストノイズ（雷サージや静電気等）などの各種の異常入力から電子機器を保護することが可能な入力保護装置に関する。

電動機、ファンやトランス等の巻き線機器、電圧平滑やデカップリングに用いられる大容量のコンデンサを備えた電子機器、あるいは白熱電灯等では、電源投入時に定常状態よりも大きな電流が流れることが知られている。このような大電流は突入電流と呼ばれる。

突入電流を考慮していない回路では、電源用スイッチの接点の溶着、電源ラインに設けられたヒューズの溶断やブレーカーの切断、整流回路の破損、電子回路で用いる電源電圧や出力電圧が不安定になる等の様々な問題が生じる。また、このような回路と電源電圧を共有する電子機器に対しても悪影響を与えてしまう。

これらの問題は、突入電流の大きさを予め考慮して電子回路を設計し、突入電流に耐えることができる回路素子を用いれば回避できるが、必要以上に大型で高価な回路素子を用いることになってしまう。また、突入電流を考慮してヒューズやブレーカーに定格電流がより大きなものを選択すると、定常動作時に異常が発生しても機能しない可能性がある。

そこで、突入電流の根本的な対策として、電源電圧の立ち上がり時間を長くすることで突入電流自体を低減する方法が考えられる。しかしながら、電源電圧の立ち上がり時間を長くするために、例えば保護対象の電子回路の電源入力に抵抗器を直列に挿入すると、定常動作時も該抵抗器によって電力を無駄に消費してしまう問題がある。この定常動作時の無駄な電力消費を回避するため、抵抗器に代えて負の温度係数を持つパワーサーミスタと呼ばれる素子を電子回路の電源入力に直列に挿入する方法がある。パワーサーミスタは、電源投入直後の冷たいときは高抵抗値であり、電流が流れることで温まると抵抗値が小さくなるため、定常動作時の無駄な電力消費を回避できる。しかしながら、パワーサーミスタは、定常動作後に電源を一旦遮断し、その直後に電源を再び投入すると、温度が十分に低下していないため（抵抗値が小さいため）、突入電流を低減することができないという欠点がある。

また、突入電流を低減する他の方法として、例えば特許文献１には、電源回路内のグランドラインに直列に抵抗器を挿入しておき、電源投入時はそのまま抵抗器を使用し、定常動作時はリレーを用いて該抵抗器間を短絡する構成が記載されている。

なお、突入電流対策ではないが、過電圧入力から電子機器を保護する方法として、例えば特許文献２には、電源ラインにリレーを挿入しておき、電源の過電圧を検出すると、該リレーにより電子機器への電源供給を遮断する構成が記載されている。
特開２００５−２９５６４９号公報 実公平６−１８１６６号公報

上述したように、特許文献１及び２に記載の入力保護装置では、リレーを用いて突入電流や過電圧入力を抑制している。しかしながら、一般にリレーは構造が複雑であるために動作（応答）時間が遅く、またコイルに電流を流すことで発生する励磁力によって接点を動作させるために大きな駆動電力を必要とする。そのため、消費電力が増大する問題がある。

また、電子機器に悪影響を与える要因は、突入電流だけでなく、バーストノイズ（例えば、雷サージや静電気）や電圧変動等の様々な異常入力もあるため、電子機器の入力保護及び安全稼動のための手段を設ける必要がある。

今後、高速化や高密度化する大規模な回路では、突入電流をはじめとする各種の異常入力から常時保護できる手段を電源回路等に搭載して安全性や信頼性を確保することが益々重要になってくる。

また、突入電流や各種の異常入力によって動作停止や破損するおそれがある様々な電子機器では、突入電流や各種の異常入力からの保護を、安価に、かつ簡易な構成で実現できる新たな素子の開発が望まれる。

もちろん、低消費電力化・電力効率向上を目的として、従来の技術で用いられているリレーの利点である定常動作時の損失が少ないという特徴を兼ね備えることは必要不可欠である。

本発明は上記したような従来の技術が有する問題点を全て解決するためになされたものであり、電子機器の入力を常に監視することによって様々な異常入力を検出でき、即座に防止措置をとることが可能な、駆動電力を必要としない入力保護装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本発明の入力保護装置は、永久磁石によって発生する磁界中に置かれ、電流が流れることで発生するトルクにより傾く可動コイルを備えた電圧検出部と、
前記電圧検出部と直列に接続される、入力電圧に比例する電流を前記可動コイルに流すための抵抗器と、
連続して形成された絶縁体、抵抗体及び導体から成る板状部材、並びに前記可動コイルの傾き動作に同期して前記板状部材と接触しつつ移動する可動接触子を備えた可変抵抗部と、
を有する。

上記のような構成の入力保護装置では、電圧検出部の可動コイルが入力電圧の値に応じて傾き、該可動コイルの傾き動作に同期して可変抵抗部の可動接触子が板状部材と接触しつつ移動するため、例えば電源投入時や異常電圧入力時に可動接触子が抵抗体と接触するように板状部材を形成すれば、入力保護装置と直列に接続される電子機器の突入電流の低減や異常電圧の抑制が可能になる。

また、バーストノイズなどの電子機器が破損しうる異常入力があった場合に可動接触子が絶縁体と接触するように板状部材を形成すれば、異常入力の電子機器内への流入を防止できる。さらに、定常動作時に可動接触子が導体と接触するように板状部材を形成すれば、定常動作時の電力伝達における損失を、リレーを用いる従来の技術と遜色なく抑制することができる。加えて、本発明は、入力電流と永久磁石の磁力により自動で常に入力監視と入力保護を行う構造であり、素子自体の駆動電力を一切必要としない簡易な構造で実現可能である。

本発明によれば、電子機器の入力を常に監視することによって様々な異常入力を検出でき、即座に防止措置をとることが可能な、駆動電力を必要としない入力保護装置を得ることができる。

次に本発明について図面を用いて説明する。

図１は本発明の入力保護装置の一構成例を示す模式図である。図２は図１に示した入力保護装置の動作原理を示す図であり、同図（ａ）は可動コイル及び可動接触子の動きを示す模式図、同図（ｂ）は図１に示した入力保護装置の等価回路である。

図１に示すように、本発明の入力保護装置は、電圧検出部１及び可変抵抗部２を有する構成である。

電圧検出部１は、周知の直流電流計と同様の構造を備え、Ｎ極永久磁石１１及びＳ極永久磁石１２によって発生する磁界中に軟鉄心１３が配置され、該軟鉄心１３の周囲に可動コイル１４が取り付けられた構造である。

可変抵抗部２は、絶縁体（Insulator）、抵抗体（Resistor）、導体（Conductor）の３種類の素子から成る板状部材２１と、該板状部材２１と接触する可動接触子２２とを備えている。可動接触子２２にはヒンジ部２３が取り付けられ、可動接触子２２は該ヒンジ部２３を介して可動コイル１４と機械的に接続されている。可動接触子２２及びヒンジ部２３は、金属等の導体によって形成されている。

入力保護装置の入力端子（input）３１には可変抵抗部２の可動接触子２２が接続され、出力端子（output）３２には板状部材２１の導体部位が接続されている。

電圧検出部１は抵抗器（Ｒｏ）３と直列に接続され、直列に接続された電圧検出部１及び抵抗器３は、入力端子３１と接地電位（GND）間に並列に接続される。抵抗器（Ｒｏ）３は、入力端子（input）と接地電位（GND）間に印加される入力電圧に比例する電流を電圧検出部１の可動コイル１４に流すために設けられている。

このような構成において、図２（ａ）に示すように、電圧検出部１の可動コイル１４には入力端子３１と接地電位間に印加される入力電圧に比例する電流が抵抗器３を介して流れる。このとき、Ｎ極永久磁石１１及びＳ極永久磁石１２によって発生している磁界と、可動コイル１４に電流が流れることで発生する磁界とによって可動コイル１４にトルクが発生し、可動コイル１４が傾く。このトルクは入力電圧に比例するため、可動コイル１４の傾き量は入力電圧に比例する。可動コイル１４の傾き動作は、ヒンジ部２３を介して可変抵抗部２の可動接触子２２へ伝達され、可動接触子２２を移動させる。

図１に示すように、可変抵抗部２の板状部材２１には、例えば可動コイル１４の傾き量が０に対応する可動接触子２２の初期位置に絶縁体が配置され、該絶縁体、抵抗体、導体、抵抗体、絶縁体が順次連続して形成されている。これらの素子の配置順や長さは任意であり、本発明の入力保護装置の用途や保護対象となる電子機器の仕様等に応じて適宜設定すればよい。

可動接触子２２は、入力電圧に比例する可動コイル１４の傾き動作に同期して板状部材２１と接触しつつ移動する。したがって、入力端子３１と出力端子３２間には、入力電圧に応じて可動接触子２２及び可動接触子２２と接触している板状部材２１の絶縁体、抵抗体または導体が挿入されることになる。

すなわち、本発明の入力保護装置は、図２（ｂ）に示すように、入力端子と接地電位間に直流電圧計が並列に接続され、入力端子と接地電位間に印加された入力電圧を直流電圧計により測定し、該測定値に応じて入出力端子間に直列に挿入された可変抵抗器の抵抗値を制御する回路と等価である。

このように本発明の入力保護装置は、入力電圧に応じて入出力端子間の抵抗値を制御する構成であるため、出力端子３２に電子機器に接続し、入力端子３１から直流電圧を供給すれば、電子機器に供給する直流電圧を一定に制御する回路としても動作させることができる。

次に本発明の入力保護装置の典型的な動作について図３を用いて説明する。

図３は図１に示した入力保護装置による保護動作の様子を示す模式図である。

図３に示すように、電源投入時、可動接触子２２は初期位置から板状部材２１上を移動し、定常動作電圧に到達すると導体と接触する位置で停止する。この電源電圧の立ち上がり時、可動接触子２２は入力電圧が定常動作電圧の近傍に達するまで抵抗体と接触しているため、入力端子３１と出力端子３２間に挿入される抵抗体により、出力端子に接続された電子機器への突入電流が低減される。また、入力電圧が定常動作電圧に到達後は、可動接触子２２が板状部材２１の導体と接触しているため、出力端子３２に接続された電子機器には、リレー等を用いる従来の技術と遜色なく少ない電力損失で電源電圧が供給される。

また、入力電圧が急激に低下または停電し、直ぐに復帰した場合（瞬低、瞬断）、可動接触子２２は板状部材２１の導体部位から移動して抵抗体と接触するため、入力端子３１と出力端子３２間に挿入される抵抗体により、出力端子３２に接続された電子機器への突入電流が低減される。

また、入力電圧が定常動作電圧よりも高い異常電圧となった場合、可動接触子２２は板状部材２１の導体部位から移動して抵抗体と接触するため、入力端子３１と出力端子３２間に挿入される抵抗体の電圧降下により、出力端子３２に接続された電子機器へ印加される異常電圧が抑制される。

さらに、入力電圧に雷サージや静電気等のバーストノイズが重畳した場合、可動接触子２２は板状部材２１の導体部位から大きく移動して絶縁体と接触するため、入力端子３１と出力端子３２間の接続が切断され、出力端子３２に接続された電子機器へのバーストノイズ等の異常入力が防止される。
（実施例）
次に本発明の入力保護装置の実施例について図面を用いて説明する。

図４は本発明の入力保護装置の利用例を示す図であり、同図（ａ）は電源回路への適用例を示すブロック図、同図（ｂ）は直流電圧で動作する電子機器への適用例を示すブロック図である。

図１に示した本発明の入力保護装置は、用途に応じて板状部材２１の抵抗体、導体、及び絶縁体の値や長さ、あるいは可動コイル１４の傾き量を調節することでどのような仕様にも容易に適用することが可能である。

図４（ａ）は、交流電圧（AC）から直流電圧（DC）を生成する電源回路に本発明の入力保護装置を用いる例である。図４（ａ）に示す電源回路は、ＡＣコンセント４１、ＥＭＩ（Electro Magnetic Interference）フィルタ４２、ダイオード整流回路４３、力率改善回路（ＰＦＣ：Power Factor Correction）４４、変圧器４５及び平滑回路４６を備えている。また、図４（ｂ）は、直流電圧で動作する電子機器に本発明の入力保護装置を用いる例である。図４（ｂ）に示す電子機器は、ファン（FAN）５１及び電子回路５２を備えている。

図４（ａ）に示す電源回路の各回路、並びに図４（ｂ）に示すファン５１及び電子回路５２は、周知の構成あるいは汎用品を用いればよいため、これらの詳細な説明は省略する。

図４（ａ）に示す電源回路には、本発明の入力保護装置１０がダイオード整流回路４３と力率改善回路４４間に挿入され、図４（ｂ）に示す電子機器には、ＤＣ入力端に本発明の入力保護装置１０が挿入されている。なお、図４（ａ）に示す電源回路では、電圧検出部１が全波整流された脈流の平均値を計測し、交流成分に追従するわけではないため、可動接触子２２の磨耗は無視できる。

上述したように、例えばファン５１を始動するとき、あるいは電源投入後に大容量のコンデンサを充電して充電完了後に電子機器が始動する構成等では、定格電流よりも大きい突入電流が流れることがある。従来の電源回路では、定格電流よりも大きい電流が流れると、内部に備える保護回路が作動して電力の供給を停止し、システム全体の動作が停止してしまうことがある。そのような構成でも本発明の入力保護装置を挿入することで、一時的に電流が増大することによる電力供給停止を回避できる。したがって、本発明の入力保護装置１０を備えることで、図４（ａ）に示すような電源回路、あるいは図４（ｂ）に示すような直流電圧で動作する電子機器についても、突入電流やバーストノイズ等の異常入力から電子機器を保護することが可能になる。特に、１つの電源回路で複数の電子機器が動作しているシステムでは、一つの機器で発生した障害が他の電子機器にも影響することがあるため、本発明の入力保護装置を用いることで、このようなシステム全体への影響も低減できる。

なお、本発明の入力保護装置は、上述したように可動コイル１４と可動接触子２２とを同期して動作させる構成であるため、図５（ｂ）に示すように電圧検出部１と可変抵抗部２を１つのパッケージに収容し、入力端子（input）、出力端子（output）及び接地端子（GND）の３つの端子を設けることで、ワンチップ部品を形成することも可能である。このとき、電圧検出部１と直列に接続する抵抗器（図５（ａ）に示すＲｏ）３の抵抗値を０Ωに設定すれば、電圧検出部１を電流計として動作させることも可能である。

図５（ａ），（ｂ）に示す入力保護装置は小型化することで電子機器へ搭載することが可能であり、電子機器の設計、開発後に取り付けることもできるため、電子機器の仕様変更や改良時にも用いることができる。

また、図６（ｂ）に示すように、図５（ｂ）に示した入力保護装置に検出用端子（sense）を追加し、電圧検出部１を検出用端子と接地端子（GND）間に挿入して独立した構成とすることで、電圧検出部１によって検出した電圧値または電流値によって入力端子（input）と出力端子（output）間に挿入された可変抵抗部２の抵抗値を制御する構成も可能である（図６（ａ）参照）。この場合、図６（ｂ）に示すように入力端子（input）と検出用端子（sense）間に絶縁体を挿入することで、入力端子（input）と検出用端子（sense）を切断すればよい。このような構成は、可変抵抗部２の導体、抵抗体、絶縁体の値や長さを調節することで、様々な用途で用いることができる。図６（ｃ）に示すように、図６（ａ）、（ｂ）に示す入力保護装置は、検出用端子と接地電位間に直流電流計が直列に接続され、検出用端子と接地電位間に流れる入力電流を直流電流計により測定し、該測定値に応じて入出力端子間に直列に挿入された可変抵抗器の抵抗値を制御する回路と等価である。

例えば、図６（ａ）〜（ｃ）に示す入力保護装置は、検出用端子（sense）に印加する電圧によって入出力端子間の抵抗値を制御する可変抵抗器として用いることができる。このように図６に示す入力保護装置は、異常入力から電子回路を保護する用途だけでなく、可変抵抗器等のように制御用素子として用いることもできる。

以上説明したように、本発明の入力保護装置によれば、突入電流やバーストノイズ等の異常入力から電子機器を保護することが可能である。また、可動コイル１４を用いて入力電圧を計測し、可変抵抗部２により入力電圧に応じて抵抗値を制御することで入力電圧を安定化することも可能である。また、定常動作時に可動接触子２が導体に位置するように調整すれば、定常動作時の電力損失を、リレー等を用いる従来の技術と遜色なく抑制することができる。

また、本発明の入力保護装置は、リレーのように駆動電力を必要としないため、消費電力が増大することがない。

また、本発明の入力保護装置は、構造が簡易であるためにワンチップ化することが可能であり、可変抵抗部２の導体、抵抗体、絶縁体の値や長さを調節することで様々な用途で用いることができる。

さらに、本発明の入力保護装置は、交流電圧から直流電圧を生成する電源回路の入力保護だけでなく、直流電圧で動作する電子機器にも用いることができるため、広い分野で利用することができる。

本発明の入力保護装置の一構成例を示す模式図である。 図１に示した入力保護装置の動作原理を示す図であり、同図（ａ）は可動コイル及び可動接触子の動きを示す模式図、同図（ｂ）は図１に示した入力保護装置の等価回路である。 図１に示した入力保護装置による保護動作の様子を示す模式図である。 本発明の入力保護装置の利用例を示す図であり、同図（ａ）は電源回路への適用例を示すブロック図、同図（ｂ）は直流電圧で動作する電子機器への適用例を示すブロック図である。 本発明の入力保護装置を実現するワンチップ部品の一例を示す図であり、同図（ａ）は回路図、同図（ｂ）は構造例を示す斜視図である。 本発明の入力保護装置を実現するワンチップ部品の他の例を示す図であり、同図（ａ）は回路図、同図（ｂ）は構造例を示す斜視図、同図（ｃ）は等価回路図である。

符号の説明

１ 電圧検出部
２ 可変抵抗部
３ 抵抗器
１０ 入力保護装置
１１ Ｎ極永久磁石
１２ Ｓ極永久磁石
１３ 軟鉄心
１４ 可動コイル
２１ 板状部材
２２ 可動接触子
２３ ヒンジ部
４１ ＡＣコンセント
４２ ＥＭＩフィルタ
４３ ダイオード整流回路
４４ 力率改善回路
４５ 変圧器
４６ 平滑回路
５１ ファン
５２ 電子回路

Claims (5)

1. 永久磁石によって発生する磁界中に置かれ、電流が流れることで発生するトルクにより傾く可動コイルを備えた電圧検出部と、
   前記電圧検出部と直列に接続される、入力電圧に比例する電流を前記可動コイルに流すための抵抗器と、
   連続して形成された絶縁体、抵抗体及び導体から成る板状部材、並びに前記可動コイルの傾き動作に同期して前記板状部材と接触しつつ移動する可動接触子を備えた可変抵抗部と、
   を有する入力保護装置。
2. 前記板状部材は、
   前記可動接触子の初期位置に絶縁体が配置され、該絶縁体、抵抗体、導体、抵抗体、絶縁体が順次連続して形成された請求項１記載の入力保護装置。
3. 請求項１または２記載の入力保護装置を備え、交流電圧から直流電圧を生成する電源回路。
4. 請求項３記載の電源回路を備えた電子機器。
5. 請求項１または２記載の入力保護装置と、
   直流電圧で動作する電子回路と、
   を有する電子機器。

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