JP5902833B2 - 検知回路 - Google Patents

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Description

本発明は、スイッチの開閉状態を検知する検知回路に関する。
スイッチよりも下流側の電位を分圧した分圧電位をスイッチング素子の駆動に利用し、下流側の電位が所定以下の場合に前記駆動電圧が前記スイッチング素子の最低駆動電圧よりも低くなるように分圧器を設定することで、リーク電流によって下流側に所定以下の電位が生じても、発光素子を点灯させない点灯回路が開示されている（特許文献1）。
しかし、リーク電流は、スイッチ端子間の電圧により増大するため、スイッチがオフ状態であっても、リーク電流が所定値以上に増加してしまうと、発光素子が誤点灯してしまう可能性があった。
また、スイッチには様々な種類があり、接点部の構成はスイッチごとに異なるため、中にはリーク電流が発生し易いスイッチも存在し、負荷の誤作動を防ぐため、使用できるスイッチが限定されてしまうという課題があった。
特開2008-213813号公報
本発明は、開状態のスイッチのリーク電流の影響を防いで当該スイッチの開閉状態を正確に検知することを目的とする。
本発明は、前記の目的を達成する一手段として、以下の構成を備える。
本発明にかかる検知回路は、スイッチの開閉状態を検知する検知回路であって、電源に直列に接続された抵抗器およびPN接合素子と、前記PN接合素子に並列に接続されたスイッチと、前記抵抗器と前記PN接合素子の接続点の電圧と基準電圧を比較して、前記スイッチの開閉状態を示す開閉信号を出力する比較手段とを有し、前記電源の電圧に対して前記PN接合素子は順方向に接続される。
本発明にかかる検知回路によれば、開状態のスイッチのリーク電流の影響を防いで当該スイッチの開閉状態を正確に検知することができる。
本発明のその他の特徴と利点は、添付する図面を参照する以下の説明によって明らかになるだろう。なお、添付する図面において、同様の構成には同一の参照番号を付す。
添付図面は、明細書に含まれ、その一部を構成し、本発明の実施形態を示し、実施形態の記述とともに、本発明の原理の説明に用いられる。
図1Aは発光素子と発光素子点灯回路を有する電源供給回路の概要を示す回路図、図1Bはリーク電流が発生した場合にスイッチング素子のベース電極-エミッタ電極間に加わる電圧を説明する図。 図2Aはスイッチング素子にNPN型トランジスタを使用する実施例1の電源供給回路の構成を示す回路図、図2Bはスイッチング素子にPNP型トランジスタを使用する実施例1の電源供給回路の構成を示す回路図。 図3Aはダイオードとスイッチを電源電圧側に配置した実施例2のスイッチの開閉状態を検知する検知回路の構成を示す回路図、図3Bはダイオードとスイッチを接地電位側に配置した実施例2のスイッチの開閉状態を検知する検知回路の構成を示す回路図。 図4は発光素子を点灯消灯するスイッチの配置を示す図。
以下、本発明にかかる実施例の電源供給回路および検知回路を図面を参照して詳細に説明する。なお、以下では、負荷として発光ダイオード(LED)などの発光素子の発光・非発光状態を制御するための電源供給回路および検知回路を例に説明を行う。しかし、開状態のスイッチのリーク電流（以下、単に「リーク電流」と呼ぶ場合がある）に起因する誤動作が問題になる場合、本発明を当該負荷に電力を供給する電源供給回路または当該負荷への電力供給のオンオフ操作を検知する検知回路に適用可能である。電源供給回路が電力を供給する負荷にはモータ、リレー、ソレノイド、各種電子機器などが含まれる。
図1Aは発光素子20と発光素子点灯回路11を有する電源供給回路10の概要を示す回路図である。
図1Aにおいて、スイッチ12は、人間の操作に応じて、電気接点を機械的に接触状態または非接触状態にし、その状態を維持する例えばトグルスイッチやスライドスイッチなどの電子機器用のスイッチである。
スイッチ12が開状態の場合は発光素子点灯回路11に電力が供給されず、スイッチング素子15のコレクタ電極-エミッタ電極間（以下、CE間）は非導通（以下、オフ）であり、発光素子20は非発光状態にある。スイッチ12が閉状態になると、分圧器13およびローパスフィルタ14を介してスイッチング素子15のベース電極にベース電流IB1が供給され、スイッチング素子15のCE間が導通（以下、オン）する。つまり、スイッチ12が閉状態になると、発光素子20は抵抗器16によって電流値が制限される電流IFによって駆動され、発光素子20は発光状態になる。
開状態のスイッチ12にリーク電流が発生すると分圧器13に電圧が加わる。図1Bはリーク電流が発生した場合にスイッチング素子15のベース電極-エミッタ電極間（以下、BE間）に加わる電圧VB1を説明する図である。図1Bにおいて、スイッチ12に並列に記載する抵抗RLeakはリーク電流を表す等価抵抗である（以下、リーク抵抗）。この場合、電圧VB1は式(1)によって表される。
VB1 = Vcc1・R13b/(RLeak + R13a + R13b) …(1)
ここで、Vcc1は電源電圧、
R13aは抵抗器13aの抵抗値、
R13bは抵抗器13bの抵抗値。
スイッチング素子15は、電圧VB1が式(2)を満たすとオンし、発光素子20が発光する。また、式(2)の条件が満たされない場合、スイッチング素子15はオンせずに発光素子20は発光しない。
VB1 ＞ VBE1 …(2)
ここで、VBE1はスイッチング素子15のPN接合の内蔵電位に基づくベース-エミッタ間電圧（0.6〜0.7V）。
しかし、VBE1を含むスイッチング素子15の特性は様々な要因で変動する。さらに、リーク電流が発生し易いスイッチが存在し、リーク電流はスイッチ端子間の電圧により増大する。図1Aに示す電源供給回路10の場合、開状態のスイッチ12のスイッチ端子間にはVcc1（例えば12V）が加わる。従って、リーク電流によって発光素子20が発光したり、発光と非発光を不安定に繰り返す可能性がある。つまり、スイッチ12が開状態にもかかわらず、発光素子20が発光する誤点灯の危惧がある。
図4は発光素子20を点灯消灯するスイッチ12の配置を示す図である。スイッチ12は、自動二輪車41の運転者が、発光素子20を有する灯火器の点灯消灯を容易に操作することができる位置、例えば、自動二輪車41のハンドル42のスイッチボックス43に配置される。なお、図4にはハンドル42の右側のスイッチボックス43にスイッチ12を配置する例を示すが、ハンドル42の左側のスイッチボックス44などにスイッチ12を配置してもよい。
なお、図4には自動二輪車41の例を示すが、本発明は、無蓋の自動三輪車、自動四輪車、全地形対応車(ATV)などにも適用可能である。
図2Aおよび図2Bは実施例1の電源供給回路10の構成を示す回路図である。なお、図2Aはスイッチング素子にNPN型トランジスタを使用する構成を示し、図2Bはスイッチング素子にPNP型トランジスタを使用する構成を示す。なお、図1Aおよび図1Bと同様の構成には同一の符号を付し、その詳細説明を省略する。
まず、図2Aに示す電源供給回路10の動作を説明する。スイッチング素子19は、スイッチ12の開閉状態に基づき、スイッチング素子15の駆動信号を生成する。つまり、スイッチ12が開状態の場合、抵抗器17とローパスフィルタ14を介してスイッチング素子19にベース電流IB2が流れ、スイッチング素子19はオンである。従って、スイッチング素子19のCE間には抵抗器18を介してコレクタ電流IC2が流れる。その結果、スイッチング素子15のベース電圧VB1（駆動信号）はVBE1よりも充分に小さくなる（VB1＜VBE1）。つまり、スイッチ12が開状態の場合、スイッチング素子15はオフであり、発光素子20は非発光状態にある。
一方、スイッチ12が閉状態の場合、スイッチング素子19のベース電圧VB2はほぼ接地電位（0V）であり、スイッチング素子19はオフ（つまりCE間が非道通）である。その結果、スイッチング素子15のベース電圧VB1（駆動信号）は式(2)の条件（VB1＞VBE1）を満たし、抵抗器18を介してスイッチング素子15にベース電流IB1が流れ、スイッチング素子15はオンである。つまり、スイッチ12が閉状態の場合、発光素子20は発光状態にある。
図2Aに示す電源供給回路10の場合、開状態のスイッチ12のスイッチ端子間に加わる電圧はスイッチング素子19のPN接合によって制限され、VBE1（0.6〜0.7V）である。従って、図1Aに示す電源供給回路102に比べて、開状態のスイッチ12のスイッチ端子間に加わる電圧を極めて小さくすることができる。その結果、スイッチ12のリーク電流を抑制することができ、スイッチ12の開状態においてスイッチング素子19がオフになることを防ぐことができる。言い換えれば、スイッチ12が開状態にもかかわらず、発光素子20が発光する誤点灯を確実に防ぐことができる。
次に、図2Bに示す電源供給回路10の動作の概略を説明する。スイッチ12が開状態の場合、ローパスフィルタ14と抵抗器17を介してスイッチング素子19にベース電流IB2が流れ、スイッチング素子19はオンである。従って、スイッチング素子19のCE間には抵抗器18を介してコレクタ電流IC2が流れる。その結果、電源電圧Vcc1とスイッチング素子15のベースの間の電圧VB1（駆動信号）はVBE1よりも充分に小さくなる（VB1＜VBE1）。つまり、スイッチ12が開状態の場合、スイッチング素子15はオフであり、発光素子20は非発光状態にある。
一方、スイッチ12が閉状態の場合、スイッチング素子19のベース電圧VB2はほぼ電源電圧Vcc1であり、スイッチング素子19はオフ（つまりCE間が非道通）である。その結果、スイッチング素子15のベース電圧VB1（駆動信号）は式(2)の条件（VB1＞VBE1）を満たす。つまり、抵抗器18を介してスイッチング素子15にベース電流IB1が流れ、スイッチング素子15はオンである。つまり、スイッチ12が閉状態の場合、発光素子20は発光状態にある。
このように、図2Bに示す電源供給回路10はスイッチング素子にPNP型トランジスタを用いる点で図2Aに示す電源供給回路10と異なるが、その動作は図2Aに示す電源供給回路10とほぼ同じである。つまり、図2Bに示す電源供給回路10によって、リーク電流に起因する発光素子20の誤点灯を確実に防ぐことができる。
なお、図2Aに示す電源供給回路10は、発光素子点灯回路11の電源Vcc1と発光素子20の電源Vcc2を別電源することが可能であり、それら電源の電圧が異なっていてもよい。他方、図2Bに示す電源供給回路10においては、二つのスイッチング素子15、19のエミッタ電位を一致させる必要があり、発光素子点灯回路11の電源と発光素子20の電源を共通にする必要がある。もし、図2Bに示す電源供給回路10において、発光素子点灯回路11の電源と発光素子20の電源に別電源を用いたい場合は、プラス接地として、負電圧の電源を用いる。
なお、図2Aおよび図2Bには一つの発光素子20を発光させる回路例を示した。しかし、図2Aおよび図2Bに示す電源供給回路10は、複数の発光素子を直並列に接続した発光素子アレイの発光・非発光状態を制御する場合にも適用可能である。
次に、実施例2として、上述したPN接合の内部電位を利用してリーク電流の影響を抑制し、スイッチの開閉状態を正確に検知する検知回路を説明する。
図3Aおよび図3Bは実施例2のスイッチの開閉状態を検知する検知回路の構成を示す回路図である。図3AはPN接合素子（以下、ダイオード）33と34を直列接続し、さらにスイッチ35を並列接続した構成を電源電圧側に配置した例を示し、図3Bは当該構成を接地電位側に配置した例を示す。
まず、図3Aに示す検知回路の動作を説明する。スイッチ35が開状態の場合、スイッチ35の端子間電圧はダイオードの順方向降下電圧VFによって制限される。そのため、比較器31の非反転入力端子（以下、プラス端子）に入力される電圧VSoffは次のとおりである。
VSoff = Vcc - 2・VF …(3)
ここで、Vccは電源電圧
また、スイッチ35が閉状態になると、比較器31のプラス端子に入力される電圧VSonは電源電圧Vccに等しくなる。一方、比較器31の反転入力端子（以下、マイナス端子）に入力される基準電圧VRは次のとおりである。
VR = Vcc - VF …(4)
比較器31は、VS≦VRの場合はローレベル（以下、Lレベル）の信号を出力し、VS＞VRの場合はハイレベル（以下、Hレベル）の信号を出力する。従って、スイッチ35が開状態（VSoff＜VR）に対して比較器31はLレベルの信号（スイッチ開信号）を出力する。また、スイッチ35が閉状態（VSon＞VR）に対して、比較器31はHレベルの信号（スイッチ閉信号）を出力する。
次に、図3Bに示す検知回路の動作を説明する。スイッチ35が開状態の場合、スイッチ35の端子間電圧はダイオードの順方向降下電圧VFによって制限される。そのため、比較器31のマイナス端子に入力される電圧VSoffは次のとおりである。
VSoff = 2・VF …(5)
また、スイッチ35が閉状態になると、比較器31のマイナス端子に入力される電圧VSonはほぼ接地電位（0V）に等しくなる。一方、比較器31のプラス端子に入力される基準電圧VRは次のとおりである。
VR = VF …(6)
比較器31は、VS≧VRの場合はLレベルの信号を出力し、VS＜VRの場合はHレベルの信号を出力する。従って、スイッチ35が開状態（VSoff＞VR）に対して比較器31はLレベルのスイッチ開信号を出力する。また、スイッチ35が閉状態（VSon＜VR）に対して、比較器31はHレベルのスイッチ閉信号を出力する。
比較器31の出力（スイッチ開閉信号）は、図示しないマイクロプロセッサのポートに供給され、マイクロプロセッサによりスイッチ35の開閉状態に応じた各種制御（例えば発光素子の発光・非発光制御など）が行われる。
前述したように、リーク電流はスイッチ35の端子間電圧により増大する。図3Aおよび図3Bに示す検知回路によれば、開状態のスイッチ35における端子間電圧は2VFに制限されて1.2〜1.4Vの範囲にあり、開状態のスイッチ35におけるリーク電流を極めて小さく抑制することができる。その結果、リーク電流の影響を防いで、スイッチ35の開閉状態を正確に検知することができる。
図3Aおよび図3Bには、ダイオード32のVFを基準電圧に利用してスイッチ35の開閉状態を検出するために、直列接続したダイオード33、34をスイッチ35に並列接続する例を示した。しかし、VFよりも小さい基準電圧（例えば0.3V）を発生するデバイスをダイオード32の代わりに用いれば、スイッチ35に並列接続するダイオードを一つにすることができる。
なお、ノイズ除去を目的として、ダイオード33、34と抵抗器37の接続点と比較器31の入力端子の間に図2Aに示すローパスフィルタ14を配置してもよい。さらに、図3Aの場合は抵抗器36に並列に、図3Bの場合はダイオード32に並列にキャパシタを配置することも、ノイズ除去に有効である。
このように、開状態のスイッチにリークが発生しても、スイッチに印加される電圧の上限はPN接合の内部電位で制限され、ほぼ一定となる。従って、リーク電流が過大になることがなく、リーク電流による負荷の誤動作を防ぐことができる。
本発明は上記の実施形態に制限されるものではなく、本発明の精神および範囲から離脱することなく、様々な変更および変形が可能である。従って、本発明の範囲を公にするために、以下の請求項を添付する。
本願は、2012年12月28日に提出した日本国特許出願である特願2012-288499を基礎として優先権を主張するものであり、その記載内容のすべてをここに援用する。

Claims (2)

  1. スイッチの開閉状態を検知する検知回路であって、
    電源(Vcc)に直列に接続された抵抗器(37)およびPN接合素子(33, 34)と、
    前記PN接合素子に並列に接続されたスイッチ(35)と、
    前記抵抗器と前記PN接合素子の接続点の電圧(VS)と基準電圧(VR)を比較して、前記スイッチの開閉状態を示す開閉信号を出力する比較手段(31)とを有し、
    前記電源の電圧に対して前記PN接合素子は順方向に接続される検知回路。
  2. 前記PN接合素子はダイオードである請求項1に記載された検知回路。
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