JP4949767B2 - 負荷駆動回路 - Google Patents

Description

本発明は、電源からリレーの電気接点を介して負荷に電力を供給する負荷駆動回路に関する。

車両用バッテリにリレーの電気接点を介して、負荷として接続されるワイパ駆動用モータ等のモータの小型化、低消費電力化と共に、負荷駆動時のノイズ低減のため、コイル、コンデンサ等のノイズフィルタが負荷に内蔵される場合がある。

また、リレーの電気接点は、動作回数と共に転移・消耗が増加するものであるが、従来は、転移と消耗のバランスが保たれており、転移から突起に成長して開離不良に至る事例は殆ど報告されていない。

しかし、近年、前記負荷の構成変化により、転移量の増加と消耗作用の低下を引き起こし、比較的早い動作回数で突起による電気接点の開離不良が発生している。

図３は、従来のリレーを用いた負荷駆動回路の構成例を示す回路図である。負荷１は、たとえば、車両におけるワイパを駆動するワイパモータ１ａと、ノイズ低減のためにワイパモータ１ａに直列接続されたコイル１ｂおよび並列接続されたコンデンサ１ｃを含む。コイル１ｂおよびコンデンサ１ｃは、ノイズフィルタを構成する。負荷１へは、リレー２を介して車載バッテリからの直流電源＋Ｂが接続される。リレー２は、駆動コイル２ａと電気接点２ｂからなる。駆動コイル２ａは、一端がダイオード３を介して直流電源＋Ｂに接続され、他端がｎｐｎ型トランジスタ４のコレクタ・エミッタを介して接地へ接続されている。電気接点２ｂは、直流電源＋Ｂと負荷１間の電源ラインに挿入される。電気接点２ｂは、トランジスタ４のオン／オフで制御される駆動コイル２ａによって駆動され、直流電源＋Ｂと負荷１間の電源ラインを開閉する。

一般的に、モータ、ランプ等の負荷にリレーの電気接点の開閉にて電力供給のオン／オフを行う場合、負荷にコンデンサ等が含まれていると、電気接点が開閉するたびにコンデンサへの充電電流が電気接点に流れる。つまり、電気接点がバウンス等の極めて短い時間の間に開閉している場合も、バウンス毎に充電電流が流れることになる。

そのため、図３の負荷駆動回路のようにコイル１ｂやコンデンサ１ｃ等のノイズフィルタを負荷１に含む場合は、電気接点２ｂのバウンス毎にノイズフィルタに流れる共振電流が、電気接点２ｂにおける転移量を増加させる原因となっている。また、モータ小型化に伴う起動時電流の増加も、転移量増加の原因になっている。

図４は、図３の負荷駆動回路の各部波形図である。図４では、電気接点２ｂのオン時のバウンス時間内の出力Ｅ１と、電気接点２ｂを流れる電流Ｉ１が示されている。電気接点２ｂのオン時、バウンス時間の間、直流電源＋Ｂと負荷１間の電源ラインの間欠的開閉現象が生じ、コイル１ｂおよびコンデンサ１ｃによる共振電流とコンデンサ１ｃの充電電流が流れることによって、図４に示すようにバウンス毎に振幅が共振周波数で変化する共振電流が電気接点２ｂに流れる。この共振電流が、電気接点２ｂにおける転移量を増加させている。

また、上述の消耗量の低下は、低消費電力化に伴う電気接点に対する遮断時電流の低下と、ノイズフィルタによる逆起電圧の抑制が、遮断時のアーク放電による接点消耗作用を低下させている。

また、他の従来例として、負荷用リレーの電気接点が閉時直後に発生する突入電流の制限用の抵抗を接続し、この抵抗と並列に、電気接点が閉し、定常電流になってから閉じられる制御用リレーと、負荷用リレーと制御用リレーの開閉動作を制御するマイクロコンピュータとを設けた負荷駆動回路が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平９−２８４９９７号公報

そこで、図３に示す負荷駆動回路では、転移量増加の対策として、接点圧力の増加によるバウンスの低減にて、転移量を減らしている。しかし、この場合は、接点圧力を増加させると動作電圧が上昇するという問題があり、またバウンス低減の限界があるという問題もある。

また、他の対策として、電気接点に融点の高い接点材料を使用し、転移しにくくさせている。しかし、この場合は、導電率低下による温度上昇と耐溶着性の低下、コストアップ等の問題がある。

また、上記公開公報に記載のものは、転移量を抑制することができるが、負荷用リレー以外に制御用リレーとマイクロコンピュータを備える必要があり、コスト高になるという問題がある。

そこで本発明は、上述した課題に鑑み、電気接点のバウンスにより流れる共振電流を抑制し、電気接点の転移量を低減することができる安価な負荷駆動回路を提供することを目的としている。

上記課題を解決するためになされた請求項１記載の発明は、直流電源からリレーの電気接点を介してコイル及びコンデンサを含む負荷に電力を供給する負荷駆動回路であって、
前記電気接点のオン時のバウンス時間の間、前記直流電源から前記電気接点を介さずに前記負荷に電力を供給し、前記バウンス時間経過後に、次のリレー駆動による前記電気接点のオン時のバウンス時間まで、前記負荷への電力供給が停止する電力供給手段を備え、
前記電力供給手段は、前記電気接点の出力を微分する微分回路と、前記電源と前記負荷の間に接続され、前記微分回路の出力に基づいて前記電気接点のオン時のバウンス時間の間オン制御されるスイッチ素子とを含むことを特徴とする。

請求項１記載の発明においては、直流電源からリレーの電気接点を介してコイル及びコンデンサを含む負荷に電力を供給する負荷駆動回路であって、電気接点のオン時のバウンス時間の間、前記直流電源から前記電気接点を介さずに前記負荷に電力を供給し、バウンス時間経過後に、次のリレー駆動による電気接点のオン時のバウンス時間まで、負荷への電力供給が停止する電力供給手段を備え、電力供給手段は、電気接点の出力を微分する微分回路と、電源と負荷の間に接続され、微分回路の出力に基づいて電気接点のオン時のバウンス時間の間オン制御されるスイッチ素子とを含む。それにより、電気接点のバウンス時間の間、電気接点がバウンスによりオフになっている時も負荷に電力を代行して出力し続けるので、最初のバウンスの次のバウンス以降における共振電流がなくなり、転移量を低減することができる。

請求項１記載の発明によれば、電気接点のバウンス時間の間、電気接点がバウンスによりオフになっている時も負荷に電力を代行して出力し続けるので、最初のバウンスの次のバウンス以降における共振電流がなくなり、転移量を低減することができる。

また、転移量低減のために追加される電力供給手段が、抵抗、コンデンサ、トランジスタ等のディスクリートな電気部品のみで構成されるため、安価な負荷駆動回路を実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る負荷駆動回路を示す回路図、図２は、負荷駆動回路の各部波形図である。図１において、負荷１は、たとえば、車両におけるワイパを駆動するワイパモータ１ａと、ノイズ低減のためにワイパモータ１ａに直列接続されたコイル１ｂおよび並列接続されたコンデンサ１ｃを含む負荷である。コイル１ｂおよびコンデンサ１ｃは、駆動時のモータ１ａから発生するノイズ低減のためのノイズフィルタを構成する。

負荷１へは、リレー２を介して車載バッテリからの直流電源＋Ｂが接続される。リレー２は、駆動コイル２ａと電気接点２ｂからなる。駆動コイル２ａは、一端がダイオード３を介して直流電源＋Ｂに接続され、他端がｎｐｎ型トランジスタ４のコレクタ・エミッタを介して接地へ接続されている。電気接点２ｂは、直流電源＋Ｂと負荷１間の電源ラインに挿入されている。電気接点２ｂは、トランジスタ４のオン／オフで制御される駆動コイル２ａによって駆動され、直流電源＋Ｂと負荷１間の電源ラインを開閉する。

さらに、直流電源＋Ｂと負荷１の間に、電気接点２ｂのバウンス時間の間、電気接点２ｂを介さずに負荷１に電力を供給する電力供給回路５が接続されている。電力供給回路５は、請求項における電力供給手段に相当する。電力供給回路５は、ダイオード６，１８と、抵抗７，９，１１，１３，１４，１７と、コンデンサ８，１０と、ｎｐｎ形トランジスタ１２と、ツェナーダイオード１５と、Ｐチャンネル型ＭＯＳＦＥＴ１６とを含む。Ｐチャンネル型ＭＯＳＦＥＴ１６は、請求項におけるスイッチ素子に相当する。

ダイオード６は、逆流防止用のダイオードであり、そのアノードが負荷１側の電気接点２ｂに接続され、カソードは抵抗７を介して接地されている。ダイオード６と抵抗７の接続点には、コンデンサ８、抵抗９およびコンデンサ１０が直列接続され、コンデンサ１０は接地されている。コンデンサ１０には、抵抗１１が並列接続されている。コンデンサ８は微分回路を構成する。抵抗９、１１およびコンデンサ１０は充放電回路を構成する。

抵抗９とコンデンサ１０の接続点には、トランジスタ１２のベースが接続されている。トランジスタ１２のコレクタは、抵抗１３を介して直流電源＋Ｂに接続され、エミッタは接地されている。トランジスタ１２のコレクタは、抵抗１４を介してＭＯＳＦＥＴ１６のゲートに接続されている。ＭＯＳＦＥＴ１６のソースは直流電源＋Ｂに接続され、ドレインは抵抗１７およびダイオード１８を介して負荷１に接続されている。ＭＯＳＦＥＴ１６のゲート・ソース間にはツェナーダイオード１５が接続されている。

次に、上記の構成を有する負荷駆動回路の動作について説明する。上記の回路において、トランジスタ４のベースに、ワイパモータ１ａの駆動を開始させるためのハイレベルの制御信号が入力されると、トランジスタ４がオンとなる。それにより、リレー２の駆動コイル２ａに電流が流れ、電気接点２ｂがオンになるように駆動される。

この電気接点２ｂのオン時、バウンスによる間欠的開閉現象が発生するが、電気接点２ｂの最初の閉による出力電圧Ｅ１が、電力供給回路５を起動するトリガ入力としてダイオード６に印加される。ダイオード６に印加された出力電圧Ｅ１は、ダイオード６で正の成分のみが通過し、コンデンサ８で微分され、充放電回路で、抵抗９の抵抗値およびコンデンサ１０の容量値で決まる充電時定数で急速に充電されると共に、コンデンサ１０の容量値および抵抗１１の抵抗値で決まる放電時定数でゆっくりと放電されることにより、制御電圧Ｅ２に変換され、トランジスタ４のベースに印加される。この制御電圧Ｅ２は、図２に示すように、電気接点２ｂの閉のたびに、ほぼ直流電源＋Ｂの電源電圧値まで立ち上がって、そこからコンデンサ１０の容量値および抵抗１１の抵抗値で決まる放電時定数にしたがって減衰する電圧となる。充放電回路の放電時定数は、電気接点２ｂのバウンス間隔よりも大きくなるように設定される。

トランジスタ１２は、ベースへの制御電圧Ｅ２の印加により、電気接点２ｂの最初の閉の時点からオンになり、トランジスタ１２のコレクタの電位が直流電源＋Ｂの電源電圧値から下がる。そのため、最初直流電源＋Ｂの電源電圧が印加されていたＭＯＳＦＥＴ１６のゲートには、電源電圧よりもツェナーダイオード１５のツェナー電圧だけ低い電圧が印加されることになり、ソース電位よりゲート電位が下がる。そのため、ＭＯＳＦＥＴ１６がオフからオンになるように制御される。それにより、直流電源＋Ｂの電源電圧は、ＭＯＳＦＥＴ１６、抵抗１７および逆流防止用のダイオード１８を介して電力供給回路５の出力電圧Ｅ３となって、負荷１に電力が供給される。

その結果、負荷１には、電気接点２ｂを介する出力電圧Ｅ１と、電力供給回路５の出力電圧Ｅ３を加算した電圧Ｅ４が印加される。そのため、電気接点２ｂを流れる電流Ｉ１は、その最初のバウンスの閉時のみ共振周波数で振幅が変化する共振電流が流れるが、バウンス時間の間電力供給回路５から負荷１に電流が流れ続けているため、電気接点２ｂの２回目以降のバウンス時には共振電流がなくなる。

電気接点２ｂのバウンス時間が経過して、電気接点２ｂの間欠的開閉現象がなくなり、制御電圧Ｅ２のレベルが、トランジスタ１２をオンにするスレショールド電圧Ｖｔｈ以下に下がると、トランジスタ１２がオフし、それにより、ＭＯＳＦＥＴ１６もオフし、電力供給回路５からの電力供給が停止し、負荷１には、直流電源＋Ｂから電気接点２ｂを介してのみ電力が供給される。

このように、電気接点２ｂの出力電圧Ｅ１をトリガ入力とし、電気接点２ｂがバウンスしている期間、すなわちバウンス時間の間、負荷１への連続的な電力供給を電力供給回路５が代行して行うことにより、負荷１のコイル１ｂおよびコンデンサ１ｃが常時通電されるため、バウンスの最初のみ共振電流は流れるが、その後のバウンス毎の共振電流が流れなくなり、転移量が軽減される。

なお、電力供給回路５による代行電力供給を行う期間Ｔ１は、一般的な電気接点のバウンス時間の実力値が１ｍｓ以下程度であるため、バウンス時間よりも若干長い期間、たとえばＴ１＝３±１ｍｓ程度とするのが好適である。そして、この程度の短い期間であれば、大電力負荷に対しても、大電力用ではないＭＯＳＦＥＴやトランジスタ等の半導体スイッチ素子をＭＯＳＦＥＴ１６の代わりに使用可能である。また、バウンス時間中、電気接点２ｂが閉になっている間は、電気接点２ｂからも電力供給が行われるので、半導体スイッチ素子の負荷はさらに軽減されることになる。

このように、本発明によれば、電力供給回路５からの電力供給代行を行って電気接点２ｂのバウンスによる共振電流発生回数を低減することにより、共振電流が抑制され、転移量を低減することができる。なお、バウンス時の初回閉時の共振電流による転移があり得るが、開時の消耗作用も存在するので、突起に成長する程ではない。

以上の通り、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限らず、種々の変形、応用が可能である。

本発明の実施の形態に係る負荷駆動回路を示す回路図である。 図１の負荷駆動回路の各部波形図である。 従来の負荷駆動回路を示す回路図である。 図３の負荷駆動回路の各部波形図である。

符号の説明

１ 負荷
２ リレー
２ｂ 電気接点
５ 電力供給回路（電力供給手段）
８ コンデンサ（微分回路）
９ 抵抗（充放電回路の一部）
１０ コンデンサ（充放電回路の一部）
１１ 抵抗（充放電回路の一部）
１６ ＭＯＳＦＥＴ（スイッチ素子）

Claims (1)

1. 直流電源からリレーの電気接点を介してコイル及びコンデンサを含む負荷に電力を供給する負荷駆動回路であって、
   前記電気接点のオン時のバウンス時間の間、前記直流電源から前記電気接点を介さずに前記負荷に電力を供給し、前記バウンス時間経過後に、次のリレー駆動による前記電気接点のオン時のバウンス時間まで、前記負荷への電力供給が停止する電力供給手段を備え、
   前記電力供給手段は、前記電気接点の出力を微分する微分回路と、前記電源と前記負荷の間に接続され、前記微分回路の出力に基づいて前記電気接点のオン時のバウンス時間の間オン制御されるスイッチ素子とを含むことを特徴とする負荷駆動回路。

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