JP5659376B2 - 直流絶縁型の半導体リレー装置 - Google Patents

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Description

関連出願
本願は、日本国で２０１１年６月６日に出願した特願２０１１−１２６２２８の優先権を主張するものであり、その全体を参照により本願の一部をなすものとして引用する。
本発明は、直列に接続された２つのＭＯＳＦＥＴを有する直流絶縁型の半導体リレー装置に関する。
この種の絶縁型の半導体リレー装置では、発光ダイオード（ＬＥＤ）からの光をフォトダイオードアレーに当てて、ＭＯＳＦＥＴのゲートを導通させることによりオン・オフ動作を行うフォトＭＯＳリレーが知られている（例えば、特許文献１）。このフォトＭＯＳリレーは、信号入力回路とリレー回路とが光結合されて入出力間が電気的に絶縁されている。
また、２つのＭＯＳＦＥＴを用い、信号入力回路とリレー回路とをトランスで絶縁分離したり、コンデンサにより直流的に分離したものも知られている（例えば、特許文献２）。一般に、半導体リレー装置は、これを内蔵するスイッチ機器と、リレー出力を受け取るリレー出力側機器であってスイッチ機器への電源供給もするコントロールパネル（ＣＰ）の構成で使用されるが、このコントロールパネル（ＣＰ）から見て、少なくとも直流（ＤＣ）絶縁が可能であれば、スイッチ機器との回路依存性を解消して、その電気的影響から保護される。
上記の半導体リレー装置は、リレー動作の際に無音であることが必要なスイッチ機器内、例えば物体を検出する物体検出センサに内蔵され、マイクロコンピュータ（ＭＣ）の制御によって物体検出に基づくリレー駆動用の交流信号に基づいてＭＯＳＦＥＴをオン・オフ動作させ、コントロールパネル（ＣＰ）へ検出オン・オフ信号を出力させる。
特開２００９−００４５２２号公報 特公平２−３０２０６号公報
しかし、上記のフォトＭＯＳリレーは、光学系を透明樹脂で形成した後に、不要な外光の入力を阻止するために遮光性樹脂でモールドする必要があり、高コスト化する。また、コントロールパネル（ＣＰ）にはＧＮＤ共通型や電源共通型などの種類があり、その種類によって従来の半導体リレー装置を含むスイッチ機器では適正に接続できない場合があり、半導体リレー装置の汎用化が困難であるという問題があった。
さらに、近年消費電力を抑制する観点から、半導体リレー装置を内蔵したスイッチ機器のマイクロコンピュータ（ＭＣ）の駆動電圧が低下する傾向にあり、このため、ＭＯＳＦＥＴを安定して駆動させることが困難となるという問題もあった。
本発明は、前記の問題点を解決して、確実な動作と低コスト化が可能で、リレー出力側機器の種類を問わずに接続が可能で汎用的に使用できる直流絶縁型の半導体リレー装置を提供することを目的とする。
前記目的を達成するために、本発明にかかる直流絶縁型の半導体リレー装置は、リレー駆動用の交流信号を入力する信号入力部と、前記交流信号のうち直流電流を遮断する直流絶縁部材と、前記直流電流遮断後の信号電圧を整数倍に倍圧する倍電圧回路と、ソース同士が接続されて逆直列に接続されるとともに、ゲート同士が接続された２つのＭＯＳＦＥＴを含むリレー回路とを備え、前記倍電圧回路で電圧が倍圧された信号により前記２つのＭＯＳＦＥＴのゲートを導通させることによって、該２つのＭＯＳＦＥＴを双方向にオン・オフ動作させる。
この構成によれば、直流絶縁部材がリレー駆動用の交流信号のうち直流電流を遮断するので、信号入力部とリレー回路との直流絶縁を実現することによりリレー出力側機器との回路依存性を解消するとともに、倍電圧回路が直流電流遮断後の信号電圧を整数倍に倍圧するので、この電圧が倍圧された信号を各ゲートに導通させることにより信号電圧の低電圧化に対応してＭＯＳＦＥＴを安定的に動作させることができる。したがって、装置の確実な動作と低コスト化が可能で、リレー出力側機器の種類を問わずに接続が可能で汎用的に使用できる。
好ましくは、前記直流絶縁部材がコンデンサまたはトランスである。したがって、低コストで直流絶縁することができる。
好ましくは、前記倍電圧回路が２倍または３倍の倍電圧回路である。したがって、より確実な動作が可能となる。
好ましくは、マイクロコンピュータで制御される物体検出センサに内蔵され、マイクロコンピュータの制御によって、物体検出に基づく前記交流信号による駆動により前記ＭＯＳＦＥＴをオン・オフ動作させ、リレー出力機器へ検出オン・オフ信号を出力させる。したがって、本装置を低電圧マイクロコンピュータと整合させることができる。また、好ましくは、前記物体検出センサは防犯用センサである。
請求の範囲および／または明細書および／または図面に開示された少なくとも２つの構成のどのような組合せも、本発明に含まれる。特に請求の範囲の各請求項の２つ以上のどのような組合せも、本発明に含まれる。
本発明は、添付の図面を参考にした以下の好適な実施形態の説明から、より明瞭に理解されるであろう。しかしながら、実施形態および図面は単なる図示および説明のためのものであり、この発明の範囲を定めるために利用されるべきものではない。この発明の範囲は添付の請求の範囲によって定まる。添付図面において、複数の図面における同一の部品符号は同一部分を示す。
本発明の一実施形態に係る直流絶縁型の半導体リレー装置が内蔵された物体検出センサを示す側面図である。 本発明に係る直流絶縁型の半導体リレー装置を含む構成の一例を示す回路図である。 本発明に係る直流絶縁型の半導体リレー装置を含む構成の他例を示す回路図である。 本発明に係る直流絶縁型の半導体リレー装置を含む構成のさらに他例を示す回路図である。 本発明に係る直流絶縁型の半導体リレー装置を構成する倍電圧回路の他例を示す回路図である。
以下、本発明の実施形態を図面にしたがって説明する。図１は本発明の一実施形態に係る直流絶縁型の半導体リレー装置１が内蔵されたスイッチ機器である物体検出センサ１０を示す側面図である。コントロールパネル（ＣＰ）８は、物体検出センサ１０からのリレー出力を受け取るリレー出力側機器であるとともに、当該物体検出センサ１０へ電源を供給する。この例では、ＣＰ８は、半導体リレー装置１へ電源を供給する接続状態で、ＧＮＤ（接地）を共通とするＧＮＤ共通型である。
前記物体検出センサ１０は、例えば、天井に取り付けられたＰＩＲ（受動型赤外線）センサで、検知エリアにおいて侵入する人体Ｈなどから放射される赤外線エネルギが、光学系により集光されて対応するセンサ部（焦電素子）１２に入射され、焦電素子１２により検知された検知信号は、マイクロコンピュータ（ＭＣ）１５の制御により信号検知処理されて侵入者Ｈが検出される。
図２は本発明の一実施形態である直流絶縁型の半導体リレー装置１を含む構成の一例を示す回路図である。本装置１は、リレー駆動用の交流信号を入力する信号入力部２と、前記交流信号のうち直流電流を遮断する直流絶縁部材３と、前記直流電流遮断後の信号電圧を２倍に倍圧する倍電圧回路５と、例えばソースＳ同士が接続されて逆直列に接続されるとともに、ゲートＧ同士が接続された２つのｎ型のＭＯＳＦＥＴ６、７を含むリレー回路４と、ＭＯＳＦＥＴ６、７を保護する保護回路９とを備えている。なお、ｎ型のＭＯＳＦＥＴに代えて、ｐ型のＭＯＳＦＥＴを使用してもよい。
コントロールパネル（ＣＰ）８からの電源供給を受けた、例えば防犯用センサである物体検出センサ１０では、マイクロコンピュータ（ＭＣ）１５の制御により侵入者Ｈの検出に基づいて、信号入力部２でリレー駆動用の交流信号（矩形波出力）が直流絶縁部材３に入力される。このＭＣ１５は消費電力の低減のため、駆動電圧を低くしており、例えば、ＣＰ８の電源Ｖｃｃからの電圧１２ｖに対して図示しないレギュレータにより駆動電圧が例えば２Ｖに設定されて、侵入者Ｈの検出に基づく２Ｖの交流信号が直流絶縁部材３を介して倍電圧回路５に入力される。
直流絶縁部材３は例えばコンデンサＣ１であり、信号入力部２とリレー回路４とを直流（ＤＣ）絶縁して、ＡＣカップリングによる電力供給を行う。本発明ではＭＯＳＦＥＴ６、７のゲートドライブに必要な電力が極めて小さいことから、安価なチップコンデンサを使用することができる。
なお、直流絶縁部材３として、コンデンサＣ１に代えて、トランスを使用することができる。この場合、巻き線構造のトランスではなく、パターンにより立体的な２本のコイルを形成し、これらの相互インダクタンスにより交流電力を供給するタイプのトランスを使用することが好ましい。これにより、巻き線構造のトランスに比べて低コスト化を図ることができる。同様に本発明ではＭＯＳＦＥＴ６、７のゲートドライブに必要な電力が極めて小さいことから、トランスのインダクタンスを小さく抑えることができる。
前記倍電圧回路５は、例えば直流絶縁部材３であるコンデンサＣ１と直列に接続された第２ダイオードＤ２と、第２ダイオードＤ２の両端に並列に接続された第１ダイオードＤ１および倍電圧用コンデンサＣ２と、第１ダイオードＤ１と倍電圧用コンデンサＣ２の間に接続されて接地されたコンデンサＣ３とを備えている。第１ダイオードＤ１のカソードと第２ダイオードＤ２のアノードとが接続され、第１ダイオードＤ１のカソードとコンデンサＣ３とが接続されている。交流信号を直流絶縁した信号の負電圧時に第１ダイオードＤ１が導通してコンデンサＣ３を充電し、正電圧時に第２ダイオードＤ２が導通してコンデンサＣ３を放電して、倍電圧用コンデンサＣ２に充電された電圧およびそれと同方向、同電圧レベルの信号電圧を生成して、２倍の信号電圧が生成される。
前記倍電圧回路５の出力端の一端２１と２つのＭＯＳＦＥＴ６、７のゲートＧの接続点２３とが接続され、出力端の他端２２と該２つのＭＯＳＦＥＴ６、７のソースＳの接続点２４とが接続されて、倍電圧回路５で電圧が２倍圧された信号により各ゲートＧを導通させることによって、該２つのＭＯＳＦＥＴ６、７を双方向にオン・オフ動作させる。このＭＯＳＦＥＴ６、７のオン・オフ動作により、ＣＰ８へ検出オン・オフ信号が出力される。
各ゲートＧが非導通状態では、２つのＭＯＳＦＥＴ６、７は、ゲートＧ端子の電位とソースＳ端子の電位がほぼ等しいため、ともにオフ状態となる。各ゲートＧが導通状態では、ゲートＧ端子の電位がソースＳ端子の電位よりも高くなるため、ともにオン状態となる。
こうして、直流絶縁部材３がリレー駆動用の交流信号のうち直流電流を遮断するので、信号入力部２とリレー回路４との直流絶縁を実現することによりコントロールパネル（ＣＰ）８との回路依存性を解消する。これとともに、倍電圧回路５が直流電流遮断後の信号の電圧を２倍に倍圧するので、この２倍に電圧が倍圧された信号で各ゲートＧを導通させることによって低電圧マイクロコンピュータ１５と整合してＭＯＳＦＥＴ６、７を安定的に動作させることができる。また、本装置１は、フォトＭＯＳリレーに比べてフォトＭＯＳＦＥＴを使用しないので低コスト化が可能となり、またフォトＭＯＳＦＥＴのＯＮ抵抗が一般的に高いのに比べて、メカニカルリレー程度にＯＮ抵抗を低減することもできる。
本装置１は、メカニカルリレー程度の低ＯＮ抵抗およびＭＯＳＦＥＴによって、低コストで直流絶縁の実現だけでなく、フォトＭＯＳリレー程度にスイッチの無音化も可能となる。侵入者Ｈは、防犯用センサのスイッチ音を聞くことによってその侵入が検出されたことを知る場合があり、侵入者Ｈに対してスイッチの無音化により侵入検出を気付かせないようにできる。
図３は、直流絶縁型の半導体リレー装置１を含む構成の他例を示す回路図である。このコントロールパネル（ＣＰ）８は、半導体リレー装置１へ電源を供給する接続状態で、電源を共通とする電源共通型である。その他の構成は図２と同様である。本装置１は、図２と同様に信号入力部２とリレー回路４との直流絶縁を実現しているので、コントロールパネル（ＣＰ）８におけるリレー出力側の極性を問わず、電源共通型のコントロールパネル（ＣＰ）であっても接続が可能である。
図４は、直流絶縁型の半導体リレー装置１を含む構成のさらに他例を示す回路図である。この物体検出センサ１０は電池（バッテリー）を内蔵しているため、コントロールパネル（ＣＰ）８は半導体リレー装置１へ電源を供給しておらず、電源絶縁型である。コントロールパネル（ＣＰ）８におけるコンデンサＣは浮遊容量を示す。その他の構成は図２と同様である。本装置１は、図２と同様に信号入力部２とリレー回路４との直流絶縁を実現しているので、コントロールパネル（ＣＰ）８におけるリレー出力側の極性を問わず、電源絶縁型のコントロールパネル（ＣＰ）であっても接続が可能である。
図５は、本発明に係る直流絶縁型の半導体リレー装置１Ａを構成する倍電圧回路５Ａの他例を示す回路図である。この倍電圧回路５Ａは、交流信号が直流絶縁部材３により直流絶縁された後の信号の電圧を３倍に倍圧する。直流絶縁部材３であるコンデンサＣ１と直列に接続されたダイオードＤ５、Ｄ６と、これらダイオードＤ５、Ｄ６の両端に並列に配置されたコンデンサＣ４と、ダイオードＤ６に直列に接続されたダイオードＤ７とこれらダイオードＤ６、Ｄ７の両端に並列に配置されたコンデンサＣ５と、ダイオードＤ５とダイオードＤ６の間に並列に接続されて接地されたコンデンサＣ３と、ダイオードＤ７およびコンデンサＣ５の接続点に並列に接続された倍電圧用コンデンサＣ２とを備えている。
まず、交流信号を直流絶縁した信号の正電圧時にダイオードＤ５が導通してコンデンサＣ３を充電する。つぎに、負電圧時にダイオードＤ６が導通してコンデンサＣ３を放電し、コンデンサＣ４に２倍の信号電圧が生成される。そして、正電圧時にダイオードＤ５が導通してコンデンサＣ３を充電するとともに、コンデンサＣ４の２倍の信号電圧がコンデンサＣ５に移動し、倍電圧用コンデンサＣ２には、コンデンサＣ３の１倍の信号電圧と、コンデンサＣ５の２倍の信号電圧とが加わり、３倍の信号電圧が生成される。これにより、電圧が３倍圧された信号でＭＯＳＦＥＴ６、７のゲートＧを導通させるので、本装置１Ａのより確実な動作と低コスト化が可能となる。
このように、本発明では、直流絶縁部材３がリレー駆動用の交流信号のうち直流電流を遮断するので、信号入力部２とリレー回路４との直流絶縁を実現することによりリレー出力側機器（コントロールパネル）８との回路依存性を解消するとともに、倍電圧回路５が直流電流遮断後の信号電圧を整数倍に倍圧するので、電圧が倍圧された信号で各ゲートＧを導通させることにより信号電圧の低電圧化に対応してＭＯＳＦＥＴ６、７を安定的に動作させることができる。これにより、本装置１の確実な動作と低コスト化が可能で、コントロールパネル（ＣＰ）８のようなリレー出力側機器の種類を問わずに接続が可能で汎用的に使用できる。
また、上記実施形態では、本装置１は、スイッチ機器として物体検知センサ１０に内蔵されているが、これに何ら限定されるものではなく、マイクロコンピュータで制御される他のスイッチ機器に内蔵させてもよい。
また、上記実施形態では、本装置１は、コントロールパネル（ＣＰ）８から電源が供給されているが、これに限定されず、他の装置、例えば照明装置などから電源が供給されてもよい。
以上のとおり図面を参照しながら好適な実施形態を説明したが、当業者であれば、本件明細書を見て、自明な範囲内で種々の変更および修正を容易に想定するであろう。したがって、そのような変更および修正は、添付の請求の範囲から定まる本発明の範囲内のものと解釈される。
１：直流絶縁型の半導体リレー装置
２：信号入力部
３：直流絶縁部材
４：リレー回路
５：倍電圧回路
６、７：ＭＯＳＦＥＴ
８：リレー出力側機器（コントロールパネル（ＣＰ））
１０：物体検出センサ
１５：マイクロコンピュータ（ＭＣ）
Ｈ：侵入者

Claims (2)

  1. リレー駆動用の単相の交流信号を入力する信号入力部と、
    前記交流信号のうち直流電流を遮断する直流絶縁部材と、
    前記直流電流遮断後の信号電圧を整数倍に倍圧する倍電圧回路と、
    ソース同士が接続されて逆直列に接続されるとともに、ゲート同士が接続された２つのＭＯＳＦＥＴを含むリレー回路とを備え、
    前記倍電圧回路で電圧が倍圧された信号により前記２つのＭＯＳＦＥＴのゲートを導通させることによって、該２つのＭＯＳＦＥＴを双方向にオン・オフ動作させるとともに、
    マイクロコンピュータで制御される物体検出センサに内蔵され、
    前記マイクロコンピュータの制御によって、物体検出に基づく前記交流信号による駆動により前記ＭＯＳＦＥＴをオン・オフ動作させ、前記直流絶縁部材により回路依存性を解消してリレー出力側機器へ検出オン・オフ信号を出力させる、直流絶縁型の半導体リレー装置。
  2. 請求項１において、
    前記物体検出センサは防犯用センサである、直流絶縁型の半導体リレー装置。


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