JP6145446B2

JP6145446B2 - リレー駆動回路

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Publication number: JP6145446B2
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Inventors: 行朗神谷
Original assignee: Yazaki Corp
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Filing date: 2014-12-24
Publication date: 2017-06-14
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Description

本発明は、車両等に搭載される様々なリレーを駆動するためのリレー駆動回路に関し、特に安全対策のための技術に関する。

例えば、電気モータのような負荷に対する電力供給のオンオフを切り替える場合には、一般的に機械式のリレーが用いられる。すなわち、電源及びアースと負荷との間の接続をリレーのスイッチ接点を用いて開閉制御する。機械式のリレーは、電気コイルの通電／非通電の切り替えにより可動部を動かしてスイッチ接点の開閉状態を切り替えることができる。このようなリレーの電気コイルの通電／非通電を切り替えるために、リレー駆動回路を用いる。

このようなリレー駆動回路の従来技術に関しては、例えば特許文献１〜特許文献５が知られている。

特許文献１は、電力消費量の低減が可能なリレーの駆動回路に関する技術を示している。具体的には、複数のスイッチング素子をリレーの電気コイルに直列に接続すると共に、遅延手段を用いて、複数のスイッチング素子を駆動するタイミングを互いにずらすように制御している。

特許文献２は、リレー駆動回路において、コイル電流による自己発熱を抑制しつつ、異音を発生しないようにするための技術を示している。具体的には、可変電圧レギュレータを用いて、又は電流のＰＷＭ制御により、リレーの電気コイルに流れる電流の大きさを調節している。

特許文献３は、イグニッション電源を制御する車両用電源装置において、ＩＧリレーを駆動する系統の断線時や低電圧時でもイグニッション電源をオンし続け、さらに過電流によるプリント基板等の焼損を防止するための技術を示している。

特許文献４は、リレーの発熱を抑制するリレー駆動装置に関する技術を示している。具体的には、ツェナーダイオードを用いた電圧安定化回路を用いて、トランジスタ１５６の出力電圧を調整し、リレーの電気コイルに印加する電圧を所定値に保つように構成してある。

特許文献５は、リレーをオンにした後、駆動電源の電圧が低下した場合でもリレーの状態を保持でき、省電力が可能なリレー駆動回路に関する技術を示している。具体的には、リレー接点を作動させるための第１スイッチ７、リレー接点の作動状態を保持するための第２スイッチとをリレーコイル３に並列に接続してあり、印加電圧が閾値以下に低下した時には第１スイッチをオンにするように制御している。

特開２０１０−２５１２００号公報特開２０１１−２１６２２９号公報特開２０１２−１８３９０１号公報特開２０１３−１７１７７３号公報特開２０１４−１１６１９７号公報

ところで、例えば車両に搭載される様々な電装機器（例えばパワーウインドゥ）を駆動する電気モータは、比較的大きな電源電流を必要とする傾向がある。したがって、このような負荷の通電を制御するために用いるリレーについても、大容量の電源電流を接点でスイッチングできることが必要とされる。

そのため、このような制御に用いられるリレーについては、リレーに内蔵された電気コイルの抵抗値を小さくして大電流を流し、リレーの可動部を動かすための吸引力を増大させて、スイッチ接点が確実に開閉するように配慮されている。

しかしながら、リレーに内蔵された電気コイルに大電流を流すと、この電気コイルに大きな発熱が生じ、温度が急激に上昇することは避けられない。このような温度上昇が耐熱の許容範囲を超えると、電気コイルの被覆が劣化又は破壊され、絶縁不良による回路のデッドショートが生じる可能性がある。また、このような場合には、最悪の場合は発煙や発火が生じることも想定される。また、リレーの耐熱性を高める場合には、リレーが大型化したり、部品コストが増大する可能性が高い。

したがって、様々な電装機器の負荷の通電制御に用いるリレーについては、電気コイルの連続通電時間の上限（例えば最大１分間）が規定されている場合がある。このため、リレーの電気コイルに通電する際には、連続通電時間が長くならないように制御する必要がある。例えば、パワーウインドゥを駆動する電気モータのような負荷の場合には、現実的に連続的に長時間通電する必要はないので、この通電を制御するリレーの電気コイルについても、連続的に長時間通電する状態は通常は生じない。

しかし、例えばリレー駆動回路の部品であるスイッチング素子（例えばトランジスタ）に故障（オン状態で固定）が発生したような場合には、リレーの電気コイルに長時間に渡って通電が継続される可能性も考えられる。また、半導体などの部品の故障については、ある確率で発生することは避けられない。このような故障の場合には、その故障を検知することが可能である。しかしながら、故障を検知しても実際にはリレーの電気コイルの通電を遮断できない場合もあるので、リレーの電気コイルの発熱によって、発煙や発火が生じる可能性が懸念される。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、半導体などの部品の故障が生じた場合であっても、リレーの電気コイルが長時間にわたって連続的に通電状態になるのを防止することが可能なリレー駆動回路を提供することにある。

前述した目的を達成するために、本発明に係るリレー駆動回路は、下記（１）〜（３）を特徴としている。
（１）連続通電時間の制約を有する電気コイルを含むリレーと、
前記リレーの前記電気コイルの通電経路に配置された第１のスイッチング素子と、
前記第１のスイッチング素子に対して直列の状態で前記通電経路に配置された第２のスイッチング素子と、
前記電気コイルを通電状態にする時には、前記第１のスイッチング素子及び前記第２のスイッチング素子の両方をオン状態に制御し、前記電気コイルを非通電状態にする時には、前記第１のスイッチング素子及び前記第２のスイッチング素子の両方をオフ状態に切り替える通電制御部と、
を備え、
前記第２のスイッチング素子が前記第１のスイッチング素子よりも高電位側に接続され、
更に、前記第２のスイッチング素子の制御入力端子の電位を制御する第３のスイッチング素子、
を備え、
前記第１のスイッチング素子及び前記第２のスイッチング素子をそれぞれ複数備え、
前記第３のスイッチング素子の出力端子が、複数の前記第２のスイッチング素子の制御入力端子に共通に接続されている、
ことを特徴とする。
（２）連続通電時間の制約を有する電気コイルを含むリレーと、
前記リレーの前記電気コイルの通電経路に配置された第１のスイッチング素子と、
前記第１のスイッチング素子に対して直列の状態で前記通電経路に配置された第２のスイッチング素子と、
前記電気コイルを通電状態にする時には、前記第１のスイッチング素子及び前記第２のスイッチング素子の両方をオン状態に制御し、前記電気コイルを非通電状態にする時には、前記第１のスイッチング素子及び前記第２のスイッチング素子の両方をオフ状態に切り替える通電制御部と、
を備え、
前記第１のスイッチング素子及び前記第２のスイッチング素子は、それぞれが制御入力端子を有する半導体スイッチであり、互いに種類の異なる構成を有し、
前記第２のスイッチング素子が前記第１のスイッチング素子よりも高電位側に接続され、
更に、前記第２のスイッチング素子の制御入力端子の電位を制御する第３のスイッチング素子、
を備え、
前記第１のスイッチング素子及び前記第２のスイッチング素子をそれぞれ複数備え、
前記第３のスイッチング素子の出力端子が、複数の前記第２のスイッチング素子の制御入力端子に共通に接続されている、
ことを特徴とする。
（３）上記（１）又は上記（２）に記載のリレー駆動回路であって、更に、
少なくとも前記電気コイルを非通電状態にする時に、前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子との間の電位を監視して、故障の有無を識別する故障監視部、
を備えたことを特徴とする。

上記（１）及び上記（２）の構成のリレー駆動回路によれば、前記リレーの前記電気コイルの通電を、前記第１のスイッチング素子及び前記第２のスイッチング素子の直列回路によりオンオフするので、前記第１のスイッチング素子及び前記第２のスイッチング素子の一方が故障した場合でも、他方をオフに制御すれば、前記電気コイルの通電を確実に遮断できる。したがって、前記電気コイルの連続通電時間が規定値を超えるのを防止して、発熱による発煙や発火を阻止できる。また、２つのスイッチング素子が同時に故障することは通常の環境ではあり得ないので、前記電気コイルの発熱による発煙や発火を確実に阻止できる。また、前記電気コイルの耐熱性能を上げることなく発煙や発火を防止できるので、リレーの大型化や部品コストの上昇を避けることができる。
また、上記（１）及び上記（２）の構成のリレー駆動回路によれば、前記第３のスイッチング素子を制御することにより、前記第２のスイッチング素子のオンオフを確実に切り替えることが可能になる。
また、上記（１）及び上記（２）の構成のリレー駆動回路によれば、前記第１のスイッチング素子及び前記第２のスイッチング素子を複数備えることにより、複数のリレーをそれぞれ制御することが可能になる。また、前記第３のスイッチング素子の数を増やすことなく複数のリレーを制御できる。
更に、上記（２）の構成のリレー駆動回路によれば、半導体スイッチを用いるので、可動部や電気接点が増えるのを防止でき、信頼性が向上する。また、互いに種類の異なる構成の半導体スイッチを前記第１のスイッチング素子及び前記第２のスイッチング素子として採用することにより、直列接続した場合でも確実なスイッチング動作が可能になる。
上記（３）の構成のリレー駆動回路によれば、前記第１のスイッチング素子及び前記第２のスイッチング素子のいずれか一方がオン状態で固定されたような故障状態が発生した場合に、その故障を検知することができる。したがって、故障が発生したまま放置されるのを防止し、残りの正常なスイッチング素子が故障する前に修理の実施を促すことができるため、発煙や発火を未然に防止できる。

本発明のリレー駆動回路によれば、半導体などの部品の故障が生じた場合であっても、リレーの電気コイルが長時間にわたって連続的に通電状態になるのを防止できる。したがって、連続通電時間の制約を有する電気コイルを含むリレーを採用した場合であっても、故障時に発煙や発火が生じるのを避けることができる。

以上、本発明について簡潔に説明した。更に、以下に説明される発明を実施するための形態（以下、「実施形態」という。）を添付の図面を参照して通読することにより、本発明の詳細は更に明確化されるであろう。

図１は、第１実施形態のリレー駆動回路を含む車載電装装置の主要部の構成を示す電気回路図である。図２は、図１に示したリレー駆動回路の動作例を示すタイムチャートである。図３は、第２実施形態のリレー駆動回路を含む車載電装装置の主要部の構成を示す電気回路図である。図４は、図３に示したリレー駆動回路における診断動作を示すフローチャートである。図５は、第３実施形態のリレー駆動回路を含む車載電装装置の主要部の構成を示す電気回路図である。

本発明のリレー駆動回路に関する具体的な実施の形態について、各図を参照しながら以下に説明する。

＜第１実施形態＞
第１実施形態のリレー駆動回路１０を含む車載電装装置１００の主要部の構成例を図１に示す。

＜概要の説明＞
図１に示した車載電装装置１００の具体例としては、パワーウインドゥ装置を想定することができる。このような車載電装装置１００は、窓ガラスのように重量の大きい可動部をスムーズに、且つ素早く移動するために、駆動源である直流電気モータ３０に比較的大きい電流を流す必要がある。

また、車載電装装置１００の直流電気モータ３０に対する通電／非通電を制御するために用いるリレー２０については、スイッチ２３、２４で大電流のオンオフ（接点の開閉）を確実に行う必要があり、抵抗値の小さい電気コイル２１、２２を用いる必要がある。したがって、リレー２０の電気コイル２１、２２には大きな電流が流れ、電気コイル２１、２２の発熱量も大きくなる。また、電気コイル２１、２２に連続的に長時間の通電を行うと、これらに著しい温度上昇が発生し、絶縁被覆の破壊と同時に、発煙や発火が生じる可能性がある。そのため、特別に高い耐熱性能を有しないリレー２０の場合には、電気コイル２１、２２の連続通電時間の上限値（例えば１分間）が事前に規定されている。

したがって、リレー駆動回路１０の動作に関しては、電気コイル２１、２２の連続通電時間が規定値を超えないように配慮する必要がある。但し、一般的なリレー駆動回路においては、内部の部品が故障したような場合に、予期しない動作を行う可能性があり、例えば、電気コイル２１、２２を非通電に制御している状態でも、実際には連続的に電気コイル２１、２２に電流が流れる可能性がある。図１に示したリレー駆動回路１０においては、部品の故障が発生した場合であっても、電気コイル２１、２２の連続通電時間が規定値を超えないように特別な工夫が施されている。

＜構成の詳細な説明＞
＜リレー２０、直流電気モータ３０の説明＞
図１に示したリレー２０は、互いに独立して動作する２組のリレーを内蔵している。すなわち、一方のリレーは電気コイル２１とスイッチ２３とで構成され、他方のリレーは電気コイル２２とスイッチ２４とで構成されている。つまり、電気コイル２１の通電／非通電によりスイッチ２３の可動部が動き電気接点が切り替わる。また、スイッチ２３の通電／非通電によりスイッチ２４の可動部が動き電気接点が切り替わる。

リレー２０は、直流電気モータ３０の通電のオンオフ及び通電の方向を切り替えるために設けてある。図１に示す状態、つまりスイッチ２３及び２４が共にオフの場合には、直流電気モータ３０の端子３１が接続端子４５、及びスイッチ２３を介してアースライン４１（４）と接続され、端子３２も接続端子４６、及びスイッチ２４を介してアースライン４１（４）と接続されるため、モータ電流ｉ３０は流れない。

一方、リレー２０のスイッチ２３がオン、スイッチ２４がオフの場合には、電源ライン（例えば＋１２Ｖの電圧を供給する）４０から、スイッチ２３、接続端子４５、端子３１、直流電気モータ３０、端子３２、接続端子４６、及びスイッチ２４を通ってアースライン４１（４）にモータ電流ｉ３０が流れるための経路が形成される。

また、スイッチ２３がオフ、スイッチ２４がオンの場合には、電源ライン４０から、スイッチ２４、接続端子４６、端子３２、直流電気モータ３０、端子３１、接続端子４５、及びスイッチ２３を通ってアースライン４１（４）に逆方向のモータ電流ｉ３０が流れるための経路が形成される。

リレー２０の一方の電気コイル２１は、高電位側の端子がダイオードＤ３を介して電源ライン４０と接続され、低電位側の端子がリレー駆動回路１０出力の接続端子１７Ａと接続されている。また、リレー２０の他方の電気コイル２２は、高電位側の端子がダイオードＤ３を介して電源ライン４０と接続され、低電位側の端子がリレー駆動回路１０出力の接続端子１７Ｂと接続されている。

したがって、リレー駆動回路１０出力の接続端子１７Ａの電位を制御することにより、リレー２０の電気コイル２２の通電／非通電を切り替えることができ、接続端子１７Ｂの電位を制御することにより、電気コイル２２の通電／非通電を切り替えることができる。

＜リレー駆動回路１０の構成＞
図１に示したリレー駆動回路１０は、スイッチング素子１１Ａ及び１１Ｂ、スイッチング素子１２Ａ及び１２Ｂ、スイッチング素子１３、マイクロコンピュータ（ＣＰＵ）１４、抵抗器Ｒ１１〜Ｒ１６、抵抗器Ｒ２１〜Ｒ２４、ダイオードＤ１及びＤ２を備えている。

上側に配置されているスイッチング素子１１Ａ及びスイッチング素子１２Ａは、接続端子１７Ａの電位を制御するための回路であり、コイル電流ｉ２１の経路に対して直列に接続されている。また、下側に配置されているスイッチング素子１１Ｂ及びスイッチング素子１２Ｂは、接続端子１７Ｂの電位を制御するための回路であり、コイル電流ｉ２２の経路に対して直列に接続されている。スイッチング素子１３は、上側のスイッチング素子１２Ａ及び下側のスイッチング素子１２Ｂのオンオフを共通に制御するためのスイッチである。

図１に示したリレー駆動回路１０においては、確実なスイッチングを容易にできるように、スイッチング素子１１Ａ及び１１Ｂとして、Ｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴ（電界効果型トランジスタ）を採用している。また、スイッチング素子１２Ａ及び１２Ｂとして、ＰＮＰ型のトランジスタを採用し、スイッチング素子１３としてＮＰＮ型のトランジスタを採用している。

マイクロコンピュータ１４は、予め組み込まれたプログラムを実行することにより、車載電装装置１００に必要とされる制御機能を実現する。例えば、図示しない上位の電子制御ユニット（ＥＣＵ）の出力から、或いはユーザが操作可能なボタンにより出力される「正転指示信号」及び「逆転指示信号」に従い、各出力ポート１４ａ、１４ｂ、及び１４ｃに制御信号ＳＧＡ、ＳＧＢ、及びＳＧＣをそれぞれ出力する。

制御信号ＳＧＡは、スイッチング素子１１Ａのオンオフを切り替えるための信号であり、出力ポート１４ａから抵抗器Ｒ１２を介してスイッチング素子１１Ａのゲート制御端子１１Ａｇに印加される。制御信号ＳＧＢは、スイッチング素子１１Ｂのオンオフを切り替えるための信号であり、出力ポート１４ｂから抵抗器Ｒ２２を介してスイッチング素子１１Ｂのゲート制御端子１１Ｂｇに印加される。制御信号ＳＧＣは、スイッチング素子１３、スイッチング素子１２Ａ、及び１２Ｂをオンオフするための信号であり、出力ポート１４ｃから抵抗器Ｒ１６を介してスイッチング素子１３のベース制御端子に印加される。

また、スイッチング素子１１Ａはソース端子１１Ａｓがアースライン４１（１）と接続され、ドレイン端子１１Ａｄが配線１６Ａを介してスイッチング素子１２Ａのコレクタ端子１２Ａｃと接続されている。同様に、スイッチング素子１１Ｂはソース端子がアースライン４１（２）と接続され、ドレイン端子が配線１６Ｂを介してスイッチング素子１２Ｂのコレクタ端子と接続されている。

スイッチング素子１２Ａのベース端子１２Ａｂは、抵抗器Ｒ１４を介してスイッチング素子１３のコレクタ端子と接続されている。同様に、スイッチング素子１２Ｂのベース制御端子も、抵抗器Ｒ２４を介してスイッチング素子１３のコレクタ端子と接続されている。

また、スイッチング素子１２Ａのベース端子１２Ａｂとエミッタ端子１２Ａｅとの間には抵抗器Ｒ１３が接続され、エミッタ端子１２Ａｅは配線１５Ａを介して接続端子１７Ａと接続されている。同様に、スイッチング素子１２Ｂのベース制御端子とエミッタ端子との間には抵抗器Ｒ２３が接続され、エミッタ端子は配線１５Ｂを介して接続端子１７Ｂと接続されている。

リレー２０の電気コイル２１を流れるコイル電流ｉ２１の経路は、次の通りである。すなわち、電源ライン４０から、ダイオードＤ３、電気コイル２１、接続端子１７Ａ、配線１５Ａ、スイッチング素子１２Ａ（エミッタ−コレクタ間）、配線１６Ａ、スイッチング素子１１Ａ（ドレイン−ソース間）、を通ってアースライン４１（１）に電流が流れる。但し、スイッチング素子１１Ａ及びスイッチング素子１２Ａの少なくとも一方がオフの場合にはコイル電流ｉ２１は遮断される。

また、リレー２０の電気コイル２２を流れるコイル電流ｉ２２の経路は、次の通りである。すなわち、電源ライン４０から、ダイオードＤ３、電気コイル２２、接続端子１７Ｂ、配線１５Ｂ、スイッチング素子１２Ｂ（エミッタ−コレクタ間）、配線１６Ｂ、スイッチング素子１１Ｂ（ドレイン−ソース間）、を通ってアースライン４１（２）に電流が流れる。但し、スイッチング素子１１Ｂ及びスイッチング素子１２Ｂの少なくとも一方がオフの場合にはコイル電流ｉ２２は遮断される。

＜動作の説明＞
図１に示したリレー駆動回路１０の動作例を図２に示す。
＜初期状態及び停止状態＞
マイクロコンピュータ１４が各出力ポート１４ａ〜１４ｃに出力する制御信号ＳＧＡ、ＳＧＢ、及びＳＧＣは、初期状態では全てオフ（低レベル：アース電位に近い電圧）になる。停止状態の場合も同様である。

制御信号ＳＧＡがオフの時には、スイッチング素子１１Ａのゲート制御端子１１Ａｇとソース端子１１Ａｓとの間の電位差が小さくなり、スイッチング素子１１Ａのドレイン端子１１Ａｄとソース端子１１Ａｓとの間が非導通（オフ）になる。同様に、制御信号ＳＧＢがオフの時には、スイッチング素子１１Ｂのゲート制御端子とソース端子との間の電位差が小さくなり、スイッチング素子１１Ｂのドレイン端子とソース端子との間が非導通（オフ）になる。

また、制御信号ＳＧＣがオフの時には、スイッチング素子１３のベース制御端子１３ｂとエミッタ端子１３ｅとの間の電位差が小さくなり、スイッチング素子１３のコレクタ端子１３ｃとエミッタ端子１３ｅとの間が非導通（オフ）になる。そして、スイッチング素子１３がオフであるため、スイッチング素子１２Ａ及び１２Ｂが共にオフになる。つまり、抵抗器Ｒ１３、Ｒ１４に電流が流れないため、スイッチング素子１２Ａのエミッタ端子１２Ａｅとベース端子１２Ａｂとの間の電位差が小さくなり、スイッチング素子１２Ａがオフになる。同様に、抵抗器Ｒ２３、Ｒ２４にも電流が流れないため、スイッチング素子１２Ｂのエミッタ端子とベース端子との間の電位差が小さくなり、スイッチング素子１２Ｂがオフになる。

上記の状態では、コイル電流ｉ２１の流れる経路が、スイッチング素子１１Ａによって遮断され、且つスイッチング素子１２Ａによっても遮断される。また、コイル電流ｉ２２の流れる経路が、スイッチング素子１１Ｂによって遮断され、且つスイッチング素子１２Ｂによっても遮断される。

つまり、コイル電流ｉ２１が電気コイル２１に流れないため、このリレーはオフであり、スイッチ２３は図１に示す状態を維持する。また、コイル電流ｉ２２が電気コイル２２に流れないため、このリレーもオフであり、スイッチ２４は図１に示す状態を維持する。したがって、直流電気モータ３０にモータ電流ｉ３０が流れず、直流電気モータ３０は停止状態になる。

＜正転方向に駆動する状態＞
例えば、運転者が車両の窓（パワーウインドゥ）を開くために何らかのボタンを操作すると、マイクロコンピュータ１４に印加される「正転指示信号」が一時的（図２中のＴ２１の区間）にオンになる。

「正転指示信号」がオンになると、マイクロコンピュータ１４は、制御信号ＳＧＡをオフからオンに切り替え、同時に制御信号ＳＧＣをオフからオンに切り替える。制御信号ＳＧＢはオフの状態を維持する。

制御信号ＳＧＡがオンの時には、スイッチング素子１１Ａのゲート制御端子１１Ａｇとソース端子１１Ａｓとの間の電位差が閾値以上になり、スイッチング素子１１Ａのドレイン端子１１Ａｄとソース端子１１Ａｓとの間が導通（オン）状態に切り替わる。

また、制御信号ＳＧＣがオンの時には、スイッチング素子１３のベース制御端子１３ｂとエミッタ端子１３ｅとの間の電位差が閾値以上になるため、スイッチング素子１３のコレクタ端子１３ｃとエミッタ端子１３ｅとの間が導通（オン）状態に切り替わる。

そして、スイッチング素子１３がオンであるため、スイッチング素子１２Ａ及び１２Ｂが共にオンに切り替わる。つまり、抵抗器Ｒ１３、Ｒ１４に電流が流れるため、スイッチング素子１２Ａのエミッタ端子１２Ａｅとベース端子１２Ａｂとの間の電位差が閾値以上になり、スイッチング素子１２Ａがオンになる。同様に、抵抗器Ｒ２３、Ｒ２４にも電流が流れるため、スイッチング素子１２Ｂのエミッタ端子とベース端子との間の電位差が閾値以上になり、スイッチング素子１２Ｂがオンになる。

上記の状態では、スイッチング素子１１Ａがオンで、且つスイッチング素子１２Ａがオンであるため、コイル電流ｉ２１を流すための経路が形成される。つまり、電源ライン４０から、ダイオードＤ３、電気コイル２１、接続端子１７Ａ、配線１５Ａ、スイッチング素子１２Ａ（エミッタ−コレクタ間）、配線１６Ａ、スイッチング素子１１Ａ（ドレイン−ソース間）、を通ってアースライン４１（１）に電流が流れる。また、スイッチング素子１２Ｂはオンになるが、スイッチング素子１１Ｂがオフ状態を維持しているので、コイル電流ｉ２２を流すための経路は遮断されたままになっている。

つまり、コイル電流ｉ２１が電気コイル２１に流れてこのリレー（２０の上側）がオンになり、スイッチ２３の接続状態が切り替わる。これにより、電源ライン４０から、スイッチ２３、接続端子４５、端子３１、直流電気モータ３０、端子３２、接続端子４６、及びスイッチ２４を通って、アースライン４１（４）にモータ電流ｉ３０が流れる。つまり、モータ電流ｉ３０が順方向に流れるため、直流電気モータ３０は正転方向に駆動される。

図２に示すＴ２１の区間が終了して「正転指示信号」がオフに切り替わると、制御信号ＳＧＡ及びＳＧＣが再びオフに切り替わる。これにより、スイッチング素子１１Ａ及びスイッチング素子１２Ａ、１２Ｂがそれぞれオフに切り替わり、コイル電流ｉ２１の経路が再び遮断される。したがって、直流電気モータ３０の駆動は停止する。

図２に示すように、コイル電流ｉ２１が流れる区間Ｔ２１Ｂの長さは、通常は「正転指示信号」の区間Ｔ２１と同等になる（故障の場合については後述する）。したがって、電気コイル２１に長時間にわたってコイル電流ｉ２１が流れ続ける状態は生じない。

＜逆転方向に駆動する状態＞
例えば、運転者が車両の窓（パワーウインドゥ）を閉じるために何らかのボタンを操作すると、マイクロコンピュータ１４に印加される「逆転指示信号」が一時的（図２中のＴ２２の区間）にオンになる。

「逆転指示信号」がオンになると、マイクロコンピュータ１４は、制御信号ＳＧＢをオフからオンに切り替え、同時に制御信号ＳＧＣをオフからオンに切り替える。制御信号ＳＧＡはオフの状態を維持する。

制御信号ＳＧＢがオンの時には、スイッチング素子１１Ｂのゲート制御端子とソース端子との間の電位差が閾値以上になり、スイッチング素子１１Ｂのドレイン端子とソース端子との間が導通（オン）状態に切り替わる。

上記の状態では、スイッチング素子１１Ｂがオンで、且つスイッチング素子１２Ｂがオンであるため、コイル電流ｉ２２を流すための経路が形成される。つまり、電源ライン４０から、ダイオードＤ３、電気コイル２２、接続端子１７Ｂ、配線１５Ｂ、スイッチング素子１２Ｂ（エミッタ−コレクタ間）、配線１６Ｂ、スイッチング素子１１Ｂ（ドレイン−ソース間）、を通ってアースライン４１（２）に電流が流れる。また、スイッチング素子１２Ａはオンになるが、スイッチング素子１１Ａがオフ状態を維持しているので、コイル電流ｉ２１を流すための経路は遮断されたままになっている。

つまり、コイル電流ｉ２２が電気コイル２２に流れてこのリレー（２０の下側）がオンになり、スイッチ２４の接続状態が切り替わる。これにより、電源ライン４０から、スイッチ２４、接続端子４６、端子３２、直流電気モータ３０、端子３１、接続端子４５、及びスイッチ２３を通って、アースライン４１（４）にモータ電流ｉ３０が流れる。つまり、モータ電流ｉ３０が逆方向に流れるため、直流電気モータ３０は逆転方向に駆動される。

図２に示すＴ２２の区間が終了して「逆転指示信号」がオフに切り替わると、制御信号ＳＧＢ及びＳＧＣが再びオフに切り替わる。これにより、スイッチング素子１１Ｂ及びスイッチング素子１２Ｂがそれぞれオフに切り替わり、コイル電流ｉ２２の経路が再び遮断される。したがって、直流電気モータ３０の駆動は停止する。

図２に示すように、コイル電流ｉ２２が流れる区間Ｔ２２Ｂの長さは、通常は「逆転指示信号」の区間Ｔ２２と同等になる（故障の場合については後述する）。したがって、電気コイル２２に長時間にわたってコイル電流ｉ２２が流れ続ける状態は生じない。

＜故障が発生した場合の動作＞
様々な部品は、まれに故障する場合がある。例えば、図１中のスイッチング素子１１Ａ、１１Ｂ、１２Ａ、及び１２Ｂの各々は半導体スイッチなので、劣化して故障する可能性がある。具体例としては、スイッチング素子１１Ａのドレイン（１１Ａｄ）−ソース（ソース端子１１Ａｓ）間が導通状態（ショート）のまま状態が固定されてしまう場合が考えられる。また、スイッチング素子１２Ａのエミッタ（１２Ａｅ）−コレクタ（コレクタ端子１２Ａｃ）間が導通状態（ショート）のまま状態が固定されてしまう場合も考えられる。スイッチング素子１１Ｂ、１２Ｂについても同様である。

上記のようなスイッチング素子１１Ａの故障やスイッチング素子１２Ａの故障は、コイル電流ｉ２１の流れる経路に影響を及ぼす。もしも、コイル電流ｉ２１が流れたまま変化しなくなると、電気コイル２１の発熱による異常な温度上昇によって、電気コイル２１の被覆が破壊され、発煙や発火が生じる可能性がある。また、コイル電流ｉ２２が流れたまま変化しなくなると、電気コイル２２の発熱による異常な温度上昇によって、電気コイル２２の被覆が破壊され、発煙や発火が生じる可能性がある。

しかし、図１に示したリレー駆動回路１０においては、コイル電流ｉ２１の流れる経路の中に、スイッチング素子１１Ａとスイッチング素子１２Ａとが直列の状態で挿入されているので、スイッチング素子１１Ａ及び１２Ａのいずれか一方をオフに制御できれば、コイル電流ｉ２１を遮断し、連続通電に起因する発煙や発火を未然に防止できる。

実際には、スイッチング素子１１Ａ及びスイッチング素子１２Ａの２つが同時に故障するような状況は通常はあり得ない。したがって、スイッチング素子１１Ａが故障した場合には、スイッチング素子１２Ａをオフに制御することでコイル電流ｉ２１を遮断できる。また、スイッチング素子１２Ａが故障した場合には、スイッチング素子１１Ａをオフに制御することでコイル電流ｉ２１を遮断できる。

上記と同様に、スイッチング素子１１Ｂが故障した場合には、スイッチング素子１２Ｂをオフに制御することでコイル電流ｉ２２を遮断できる。また、スイッチング素子１２Ｂが故障した場合には、スイッチング素子１１Ｂをオフに制御することでコイル電流ｉ２２を遮断できる。

したがって、スイッチング素子１１Ａ及びスイッチング素子１２Ａの一方が故障した場合であっても、図２に示すコイル電流ｉ２１の区間Ｔ２１Ｂの長さは変化しない。また、スイッチング素子１１Ｂ及びスイッチング素子１２Ｂの一方が故障した場合であっても、図２に示すコイル電流ｉ２２の区間Ｔ２２Ｂの長さは変化しない。

また、スイッチング素子１３が故障した場合であっても、スイッチング素子１１Ａをオフに切り替えればコイル電流ｉ２１を遮断できるし、スイッチング素子１１Ｂをオフに切り替えればコイル電流ｉ２２を遮断できる。

＜第２実施形態＞
第２実施形態は、前述の第１実施形態の変形例である。第２実施形態のリレー駆動回路１０Ｂを含む車載電装装置の主要部の構成を図３に示す。また、図３に示したリレー駆動回路１０Ｂにおける診断動作を図４に示す。尚、図３において第１実施形態と共通の要素は同一の符号を付けて示してある。

＜変更箇所の説明＞
前述の第１実施形態のリレー駆動回路１０においては、スイッチング素子１１Ａ及び１２Ａのいずれか１つが故障した場合や、スイッチング素子１１Ｂ及び１２Ｂのいずれか１つが故障した場合であっても、コイル電流ｉ２１及びｉ２２を確実に遮断することができる。しかしながら、１つの部品に故障が生じたまま、その状態を放置した場合には、残りの部品が更に故障する事態も想定される。例えば、スイッチング素子１１Ａ及び１２Ａが共に故障した状態や、スイッチング素子１１Ｂ及び１２Ｂが共に故障した状態が生じる可能性も考えられる。すなわち、コイル電流ｉ２１又はｉ２２を遮断できない状況に陥り、発煙や発火が生じる可能性がある。

上記のように複数の部品が故障した状況に陥るのを避けるためには、最初の部品の故障が発生した後、長い時間が経過する前に故障を修理しておく必要がある。第２実施形態では、リレー駆動回路１０Ｂの自動的な診断により故障の発生を検知すると共に、故障を検知した場合にはそれを報知するための機能を追加してある。これにより、最悪の状況に陥る前に、故障の修理を車両のユーザや点検作業者に促すことができる。

＜追加した回路の説明＞
図３に示したリレー駆動回路１０Ｂにおいては、追加した配線１８Ａを用いて、配線１６Ａの電圧ＶｄＡをマイクロコンピュータ１４のアナログ入力ポート１４ｄに印加している。また、追加した配線１８Ｂを用いて、配線１６Ｂの電圧ＶｄＢをマイクロコンピュータ１４のアナログ入力ポート１４ｅに印加している。

また、電圧ＶｄＡ及びＶｄＢを監視して故障を診断するための機能（プログラム）を、マイクロコンピュータ１４に追加してある。その動作が図４に示されている。また、診断の結果を報知するために、表示器５０をマイクロコンピュータ１４に接続してある。これ以外の構成については図１のリレー駆動回路１０と同一である。

＜電圧ＶｄＡ及びＶｄＢの説明＞
電圧ＶｄＡは、直列に接続された２つのスイッチング素子１１Ａ及び１２Ａの間の配線１６Ａに現れる電位である。故障が生じていない場合には、２つのスイッチング素子１１Ａ及び１２Ａが共にオフになるタイミングで、電圧ＶｄＡは、中間的な電位或いは周囲の回路により定まる電位になる。一方、スイッチング素子１１Ａがオンのまま固定された故障が生じた場合には、電圧ＶｄＡは常にアース電位に近い値に固定される。また、スイッチング素子１２Ａがオンのまま固定された故障が生じた場合には、電圧ＶｄＡは常に電源ライン４０の電位に近い値に固定される。したがって、電圧ＶｄＡを事前に定めた閾値（例えば中間的な電位）と比較することにより、故障の有無を識別できる。

電圧ＶｄＢは、直列に接続された２つのスイッチング素子１１Ｂ及び１２Ｂの間の配線１６Ｂに現れる電位である。故障が生じていない場合には、２つのスイッチング素子１１Ｂ及び１２Ｂが共にオフになるタイミングで、電圧ＶｄＢは、中間的な電位或いは周囲の回路により定まる電位になる。一方、スイッチング素子１１Ｂがオンのまま固定された故障が生じた場合には、電圧ＶｄＢは常にアース電位に近い値に固定される。また、スイッチング素子１２Ｂがオンのまま固定された故障が生じた場合には、電圧ＶｄＢは常に電源ライン４０の電位に近い値に固定される。したがって、電圧ＶｄＢを事前に定めた閾値（例えば中間的な電位）と比較することにより、故障の有無を識別できる。

＜診断動作の説明＞
図３に示すリレー駆動回路１０Ｂ中のマイクロコンピュータ１４が図４に示す診断動作を実施することにより、スイッチング素子１１Ａ、１１Ｂ、１２Ａ、及び１２Ｂにおける深刻な故障（オン状態で固定された状態）を自動的に検出し、診断結果を報知することができる。

マイクロコンピュータ１４は、電源がオンになると、Ｓ１１で所定の初期化を行った後、Ｓ１２で診断開始の条件を満たすか否かを識別する。例えば、一定時間が経過する毎に診断を開始して、Ｓ１３以降の処理に進むことが想定される。

ステップＳ１３では、マイクロコンピュータ１４は、制御信号ＳＧＡ、ＳＧＣが共にオフであるか否かを識別し、この条件を満たす場合Ｓ１４に進み、条件を満たさない場合はＳ１６に進む。

ステップＳ１４では、マイクロコンピュータ１４は、アナログ入力ポート１４ｄに印加される電圧ＶｄＡをサンプリングしてこの電圧値を計測する。また、次のステップＳ１５では、Ｓ１４で計測したＶｄＡの電圧値を事前に定めた閾値と比較することにより故障の有無を識別する。

制御信号ＳＧＡ、ＳＧＣが共にオフの場合には、前述のように、通常は電圧ＶｄＡが中間的な電位或いは周囲の回路により定まる電位になる。しかし、スイッチング素子１１Ａがオン状態で固定される故障が発生した場合にはＶｄＡが低電位になり、スイッチング素子１２Ａがオン状態で固定される故障が発生した場合にはＶｄＡが高電位になる。したがって、Ｓ１５で電圧ＶｄＡを比較することにより、スイッチング素子１１Ａの故障及びスイッチング素子１２Ａの故障を識別できる。

ステップＳ１６では、マイクロコンピュータ１４は、制御信号ＳＧＢ、ＳＧＣが共にオフであるか否かを識別し、この条件を満たす場合Ｓ１７に進み、条件を満たさない場合はＳ１９に進む。

ステップＳ１７では、マイクロコンピュータ１４は、アナログ入力ポート１４ｅに印加される電圧ＶｄＢをサンプリングしてこの電圧値を計測する。また、次のステップＳ１８では、Ｓ１７で計測したＶｄＢの電圧値を事前に定めた閾値と比較することにより故障の有無を識別する。

制御信号ＳＧＢ、ＳＧＣが共にオフの場合には、前述のように、通常は電圧ＶｄＢが中間的な電位或いは周囲の回路により定まる電位になる。しかし、スイッチング素子１１Ｂがオン状態で固定される故障が発生した場合にはＶｄＢが低電位になり、スイッチング素子１２Ｂがオン状態で固定される故障が発生した場合にはＶｄＢが高電位になる。したがって、Ｓ１８で電圧ＶｄＢを比較することにより、スイッチング素子１１Ｂの故障及びスイッチング素子１２Ｂの故障を識別できる。

ステップＳ１９では、マイクロコンピュータ１４は、Ｓ１５及びＳ１８の比較結果を参照することにより、故障検出の有無を識別し、故障を検出した場合はＳ２０に進み、非検出であればＳ１２に戻る。

ステップＳ２０では、マイクロコンピュータ１４は、検出した故障の状態をユーザや点検作業者に対して報知する。例えば、表示器５０の画面に対して、リレー駆動回路１０の故障が生じたことを表すメッセージ或いは記号を表示する。また、故障が生じた箇所や部品を特定可能な情報を、マイクロコンピュータ１４内部の不揮発性メモリ（図示せず）に自動的に記録する。また、故障の発生を上位の電子制御ユニット（ＥＣＵ：図示せず）に通信により通知しても良い。

＜第３実施形態＞
第２実施形態は、前述の第１実施形態の変形例である。第３実施形態のリレー駆動回路１０Ｃを含む車載電装装置の主要部の構成を図５に示す。尚、図５において第１実施形態と共通の要素は同一の符号を付けて示してある。

＜変更箇所の説明＞
図５のリレー駆動回路１０Ｃにおいては、図１中のスイッチング素子１２Ａ及び１２Ｂの代わりに、スイッチング素子１２Ｃ及び１２Ｄを採用している。スイッチング素子１２Ｃ及び１２Ｄの各々は、Ｐチャネル型のＭＯＳＦＥＴ（電界効果型トランジスタ）である。また、スイッチング素子１２Ｃ及び１２ＤをＦＥＴに変更したことに伴い、これらの周辺回路も変更されている。しかし、図１の構成と同様に、スイッチング素子１１Ａ及び１２Ｃはコイル電流ｉ２１の経路に直列に接続されている。また、スイッチング素子１１Ｂ及び１２Ｄもｉ２２の経路に直列に接続されている。

このように、直列に接続した２つのスイッチング素子１１Ａ、１２Ｃのうち、低電位側にＮチャネル型のＭＯＳＦＥＴを採用し、高電位側にＰチャネル型のＭＯＳＦＥＴを採用することにより、これらを確実にスイッチングすることが可能になる。

スイッチング素子１２Ｃのゲート制御端子１２Ｃｇには、マイクロコンピュータ１４の出力ポート１４ｃから出力される制御信号が印加される。また、スイッチング素子１２Ｄのゲート制御端子１２Ｄｇには、マイクロコンピュータ１４の出力ポート１４ｆから出力される制御信号が印加される。

したがって、図５のリレー駆動回路１０Ｃにおいては、マイクロコンピュータ１４は、出力ポート１４ｃに出力する制御信号によりスイッチング素子１２Ｃのオンオフを制御し、出力ポート１４ｆに出力する制御信号によりスイッチング素子１２Ｄのオンオフを制御する。それ以外の制御については図１のリレー駆動回路１０の場合と同様である。

図５に示したリレー駆動回路１０Ｃにおいても、スイッチング素子１１Ａ及び１２Ｃが直列に接続されているので、スイッチング素子１１Ａ及び１２Ｃの一方が故障した場合であっても、故障していない残りの素子がコイル電流ｉ２１を確実に遮断できる。また、スイッチング素子１１Ｂ及び１２Ｄが直列に接続されているので、スイッチング素子１１Ｂ及び１２Ｄの一方が故障した場合であっても、故障していない残りの素子がコイル電流ｉ２２を確実に遮断できる。したがって、コイル電流ｉ２１又はコイル電流ｉ２２が長時間にわたって流れ続けて異常な温度上昇が生じるのを避けることができる。

ここで、上述した本発明に係るリレー駆動回路の実施形態の特徴をそれぞれ以下［１］〜［５］に簡潔に纏めて列記する。
［１］連続通電時間の制約を有する電気コイル（２１又は２２）を含むリレー（２０）と、
前記リレーの前記電気コイルの通電経路に配置された第１のスイッチング素子（１１Ａ又は１１Ｂ）と、
前記第１のスイッチング素子に対して直列の状態で前記通電経路に配置された第２のスイッチング素子（１２Ａ又は１２Ｂ）と、
前記電気コイルを通電状態にする時には、前記第１のスイッチング素子及び前記第２のスイッチング素子の両方をオン状態に制御し、前記電気コイルを非通電状態にする時には、前記第１のスイッチング素子及び前記第２のスイッチング素子の両方をオフ状態に切り替える（図２参照）通電制御部（マイクロコンピュータ１４）と、
を備えたことを特徴とするリレー駆動回路（１０）。
［２］上記［１］に記載のリレー駆動回路であって、
前記第１のスイッチング素子及び前記第２のスイッチング素子は、それぞれが制御入力端子を有する半導体スイッチであり、互いに種類の異なる構成を有する、
ことを特徴とするリレー駆動回路。
［３］上記［２］に記載のリレー駆動回路であって、
前記第２のスイッチング素子（１２Ａ又は１２Ｂ）が前記第１のスイッチング素子（１１Ａ又は１１Ｂ）よりも高電位側に接続され、
更に、前記第２のスイッチング素子の制御入力端子（ベース端子１２Ａｂ）の電位を制御する第３のスイッチング素子（１３）、
を備えたことを特徴とするリレー駆動回路。
［４］上記［３］に記載のリレー駆動回路であって、
前記第１のスイッチング素子及び前記第２のスイッチング素子をそれぞれ複数備え、
前記第３のスイッチング素子の出力端子が、複数の前記第２のスイッチング素子（１２Ａ及び１２Ｂ）の制御入力端子に共通に接続されている（図１参照）、
ことを特徴とするリレー駆動回路。
［５］上記［１］から［４］のいずれか１項に記載のリレー駆動回路であって、更に、
少なくとも前記電気コイルを非通電状態にする時に、前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子との間の電位を監視して、故障の有無を識別する故障監視部（１４、Ｓ１２〜Ｓ１８）、
を備えたことを特徴とするリレー駆動回路。

１０，１０Ｂ，１０Ｃリレー駆動回路
１１Ａ，１１Ｂスイッチング素子
１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄスイッチング素子
１３スイッチング素子
１４マイクロコンピュータ
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｆ出力ポート
１４ｄ，１４ｅアナログ入力ポート
１５Ａ，１５Ｂ配線
１６Ａ，１６Ｂ配線
１７Ａ，１７Ｂ接続端子
１８Ａ，１８Ｂ配線
２０リレー
２１，２２電気コイル
２３，２４スイッチ
３０直流電気モータ
３１，３２端子
４０電源ライン
４１アースライン
４５，４６接続端子
５０表示器
１００車載電装装置
Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ１３，Ｒ１４，Ｒ１５，Ｒ１６抵抗器
Ｒ２１，Ｒ２２，Ｒ２３，Ｒ２４抵抗器
Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３ダイオード
ｉ２１，ｉ２２コイル電流
ｉ３０モータ電流
ＳＧＡ，ＳＧＢ，ＳＧＣ制御信号
ＶｄＡ，ＶｄＢ監視対象電圧

Claims

連続通電時間の制約を有する電気コイルを含むリレーと、
前記リレーの前記電気コイルの通電経路に配置された第１のスイッチング素子と、
前記第１のスイッチング素子に対して直列の状態で前記通電経路に配置された第２のスイッチング素子と、
前記電気コイルを通電状態にする時には、前記第１のスイッチング素子及び前記第２のスイッチング素子の両方をオン状態に制御し、前記電気コイルを非通電状態にする時には、前記第１のスイッチング素子及び前記第２のスイッチング素子の両方をオフ状態に切り替える通電制御部と、
を備え、
前記第２のスイッチング素子が前記第１のスイッチング素子よりも高電位側に接続され、
更に、前記第２のスイッチング素子の制御入力端子の電位を制御する第３のスイッチング素子、
を備え、
前記第１のスイッチング素子及び前記第２のスイッチング素子をそれぞれ複数備え、
前記第３のスイッチング素子の出力端子が、複数の前記第２のスイッチング素子の制御入力端子に共通に接続されている、
ことを特徴とするリレー駆動回路。
連続通電時間の制約を有する電気コイルを含むリレーと、
前記リレーの前記電気コイルの通電経路に配置された第１のスイッチング素子と、
前記第１のスイッチング素子に対して直列の状態で前記通電経路に配置された第２のスイッチング素子と、
前記電気コイルを通電状態にする時には、前記第１のスイッチング素子及び前記第２のスイッチング素子の両方をオン状態に制御し、前記電気コイルを非通電状態にする時には、前記第１のスイッチング素子及び前記第２のスイッチング素子の両方をオフ状態に切り替える通電制御部と、
を備え、
前記第１のスイッチング素子及び前記第２のスイッチング素子は、それぞれが制御入力端子を有する半導体スイッチであり、互いに種類の異なる構成を有し、
前記第２のスイッチング素子が前記第１のスイッチング素子よりも高電位側に接続され、
更に、前記第２のスイッチング素子の制御入力端子の電位を制御する第３のスイッチング素子、
を備え、
前記第１のスイッチング素子及び前記第２のスイッチング素子をそれぞれ複数備え、
前記第３のスイッチング素子の出力端子が、複数の前記第２のスイッチング素子の制御入力端子に共通に接続されている、
ことを特徴とするリレー駆動回路。
請求項１又は請求項２に記載のリレー駆動回路であって、更に、
少なくとも前記電気コイルを非通電状態にする時に、前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子との間の電位を監視して、故障の有無を識別する故障監視部、
を備えたことを特徴とするリレー駆動回路。