JP6459573B2 - 継電ユニット - Google Patents

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Description

本発明は、複数の有接点リレーのそれぞれに設けられた機械式スイッチが互いに直列接続されてなる直列回路であって、負荷および負荷の電源と直列接続されている直列回路を備えている、継電ユニット、および継電回路の制御方法に関する。
有接点リレーを用いて負荷への通電および非通電を切り替える機能を有している継電ユニット(継電回路)として、下記の構成が知られている。
すなわち、前記継電ユニットは、複数の有接点リレーのそれぞれに設けられた機械式スイッチが互いに直列接続されてなる直列回路を有している。この直列回路は、負荷および負荷の電源と直列接続されている。これらの機械式スイッチの全てが閉状態であるとき、負荷への通電が行われる。一方、これらの機械式スイッチの少なくとも1つが開状態であるとき、負荷への通電が遮断される(非通電)。前記継電ユニットの一例が、特許文献1および2に開示されている。
欧州特許第1202313号明細書(2002年5月2日) 独国特許第3541338号明細書(1987年5月27日)
1つの機械式スイッチを除く全ての機械式スイッチが閉状態であるときに、この1つの機械式スイッチを開状態から閉状態に切り替えると、負荷への通電が確立される。一方、全ての機械式スイッチが閉状態であるときに、1つの機械式スイッチを閉状態から開状態に切り替えると、負荷への通電が遮断される。これらのとき、前記1つの機械式スイッチの切り替えの瞬間に、この1つの機械式スイッチからアークが発生し、同機械式スイッチの接点にダメージを与える。これにより、アークが発生した機械式スイッチを有している有接点リレーの寿命が短くなってしまう。この結果、継電ユニットの寿命が短くなってしまうという問題が発生する。
より具体的に述べると、下記のとおりである。すなわち、従来、前記直列回路においては、全ての機械式スイッチを同時に切り替えることが一般的である。その一方で、前記直列回路においては、各機械式スイッチの個体差、各機械式スイッチにおける接点摩耗(例えば、機械式スイッチの開閉に起因して生じる)等によって、各機械式スイッチの開閉のタイミングがバラつくことが一般的である。この結果、前記アークは特定の機械式スイッチの切り替えにおいて集中的に発生し、この特定の機械式スイッチを有している有接点リレーの寿命が、他の有接点リレーの寿命と比べて極端に短くなってしまう。
短寿命の有接点リレーは、上述した各機械式スイッチの開閉タイミングのバラつきに起因して決定されるため、継電ユニットの製造の時点で、この短寿命の有接点リレーを特定することは難しい。このため、継電ユニットの寿命の問題を抑制するためには、全ての有接点リレーを、無接点リレー、または、高アーク耐性のリレーに置き換える必要がある。しかしながら、無接点リレーおよび高アーク耐性のリレーは、汎用の有接点リレーと比べて高価であるため、全ての有接点リレーを、無接点リレーまたは高アーク耐性のリレーに置き換えた場合、安価な継電ユニットを実現することが難しい。
本発明は、前記の課題に鑑みて為されたものであり、その目的は、安価かつ長寿命である継電ユニット、および継電回路の制御方法を提供することにある。
前記の課題を解決するために、本発明の継電ユニットは、複数の有接点リレーのそれぞれに設けられた機械式スイッチが互いに直列接続されてなる直列回路と、前記直列回路を構成する各機械式スイッチの開状態および閉状態を切り替える制御部とを備えており、前記直列回路は、負荷および前記負荷の電源と直列接続されており、前記制御部は、前記各機械式スイッチのいずれか1つを被選択スイッチとして選択し、前記被選択スイッチを前記被選択スイッチ以外の前記機械式スイッチより後に閉状態とさせる第1動作、および、前記被選択スイッチを前記被選択スイッチ以外の前記機械式スイッチより先に開状態とさせる第2動作の少なくとも一方である切替タイミングシフトを行うことを特徴としている。
また、前記の課題を解決するために、本発明の継電回路の制御方法は、継電回路の制御方法であって、前記継電回路は、複数の有接点リレーのそれぞれに設けられた機械式スイッチが互いに直列接続されてなる直列回路を備えており、前記直列回路は、負荷および前記負荷の電源と直列接続されており、前記制御方法は、前記直列回路を構成する各機械式スイッチの開状態および閉状態を切り替える制御工程を含んでおり、前記制御工程では、前記各機械式スイッチのいずれか1つを被選択スイッチとして選択し、前記被選択スイッチを前記被選択スイッチ以外の前記機械式スイッチより後に閉状態とさせる第1動作、および、前記被選択スイッチを前記被選択スイッチ以外の前記機械式スイッチより先に開状態とさせる第2動作の少なくとも一方である切替タイミングシフトを行うことを特徴としている。
前記の構成によれば、切替タイミングシフトを行ったとき、上述したアークは、被選択スイッチの切り替えの瞬間に発生することとなる。換言すれば、制御部(制御工程)による制御により、このアークが発生する機械式スイッチを選択することが可能となる。
これにより、複数の切替タイミングシフトの間で、互いに異なる有接点リレーに設けられた機械式スイッチからアークを発生させることにより、機械式スイッチにおけるアークの発生を複数の有接点リレーに振り分けることができる。もしくは、予め少なくとも1つの有接点リレーを高アーク耐性のリレーとし、意図的に、この高アーク耐性のリレーに設けられた機械式スイッチからアークを発生させることにより、機械式スイッチにおけるアークの発生をこの高アーク耐性のリレーに集中させることができる。従って、継電ユニットの長寿命化が可能である。
また、前記の構成によれば、全ての有接点リレーを、無接点リレー、または、高アーク耐性のリレーに置き換える必要が無いので、安価な継電ユニットを実現することが可能である。
継電回路を制御して継電ユニットと同等の機能を実現する場合においても同様である。
また、本発明の継電ユニットにおいて、前記制御部は、連続する2回の前記切替タイミングシフトにおいて、互いに異なる前記有接点リレーから、前記被選択スイッチを選択することが好ましい。
前記の構成によれば、1回の切替タイミングシフトを単位として、被選択スイッチを含む有接点リレーを変更することができる。従って、機械式スイッチにおけるアークの発生を複数の有接点リレーに振り分けることができる。
また、本発明の継電ユニットにおいて、前記制御部は、前記複数の有接点リレーの各々から前記被選択スイッチが選択される確率が、互いに均一となるように、前記被選択スイッチを選択することが好ましい。
前記の構成によれば、機械式スイッチにおけるアークの発生を複数の有接点リレーに均等に振り分けることができる。従って、継電ユニットの十分な長寿命化が可能である。
また、本発明の継電ユニットにおいて、前記複数の有接点リレーは、汎用リレーと、前記汎用リレーよりアークに対する耐性が高い高耐性リレーとを有しており、前記制御部は、全ての前記切替タイミングシフトにおいて、前記高耐性リレーから、前記被選択スイッチを選択することが好ましい。
前記の構成によれば、機械式スイッチにおけるアークの発生を、高アーク耐性のリレーである高耐性リレーに集中させることができる。この結果、汎用リレーの短寿命化を抑制し、継電ユニットの長寿命化が可能である。
本発明によれば、安価かつ長寿命である継電ユニット、および継電回路の制御方法を提供することができる。
本発明の継電ユニットを備えた負荷制御システムの概略構成を示す回路ブロック図であり、各機械式スイッチの開状態を示している。 本発明の継電ユニットを備えた負荷制御システムの概略構成を示す回路ブロック図であり、各機械式スイッチの閉状態を示している。
本発明を実施するための形態について、図1および図2を参照して説明する。
図1および図2は、継電ユニット24を備えた負荷制御システム10の概略構成を示す回路ブロック図である。図1には機械式スイッチ22および23の開状態を、図2には機械式スイッチ22および23の閉状態を、それぞれ示している。
負荷制御システム10は、継電ユニット24により、負荷21への通電および非通電を切り替えるシステムである。なお、負荷用電源9は、負荷21の電源として機能する交流電源である。
継電ユニット24は、制御部2、および切替回路(継電回路)3を備えている。
切替回路3は、第1有接点リレー回路(有接点リレー)5、および第2有接点リレー回路(有接点リレー)6という、2つ(複数)の有接点リレーを有している。
第1有接点リレー回路5は、機械式スイッチ22、およびリレーコイル7を有している。第1有接点リレー回路5は、リレーコイル7の励磁により電磁力を発生させ、この電磁力によって機械式スイッチ22の開状態および閉状態を切り替えるものである。なお、第1有接点リレー回路5は、機械式スイッチ22の接点として、いわゆるa接点であるa1接点と、いわゆるb接点であるb1接点とを有している。本願明細書では、機械式スイッチ22がa1接点と接している状態を「機械式スイッチ22の閉状態」と称している。反対に、本願明細書では、機械式スイッチ22がb1接点と接している状態を「機械式スイッチ22の開状態」と称している。
第2有接点リレー回路6は、機械式スイッチ23、およびリレーコイル8を有している。第2有接点リレー回路6は、リレーコイル8の励磁により電磁力を発生させ、この電磁力によって機械式スイッチ23の開状態および閉状態を切り替えるものである。なお、第2有接点リレー回路6は、機械式スイッチ23の接点として、いわゆるa接点であるa2接点と、いわゆるb接点であるb2接点とを有している。本願明細書では、機械式スイッチ23がa2接点と接している状態を「機械式スイッチ23の閉状態」と称している。反対に、本願明細書では、機械式スイッチ23がb2接点と接している状態を「機械式スイッチ23の開状態」と称している。
また、機械式スイッチ22および23は互いに直列接続されてなる直列回路であり、さらにこの直列回路は負荷21および負荷用電源9と直列接続されている。このため、機械式スイッチ22および23の全てが閉状態であるとき、負荷21への通電が行われる。一方、機械式スイッチ22および23の少なくとも1つが開状態であるとき、負荷21への通電が遮断される(非通電)。
さらに、切替回路3は、2つのコンデンサCを有している。これらのコンデンサCは、負荷用電源9と外部電源11とを絶縁分離するために設けられている。
制御部2は、1つまたは複数のマイコン(マイクロコントローラ)を含んで構成され、継電ユニット24の統括的な制御を行う。特に、制御部2は、リレーコイル7および8の各々を励磁させるか否かを制御することによって、機械式スイッチ22および23の切り替えを制御する。なお、外部電源11は、継電ユニット24の電源として機能する直流電源であり、継電ユニット24に備えられた電源回路25を介して、制御部2に電力を供給する。なお、制御部2が複数のマイコンを備えていることによって、各マイコンが同じ処理を行うことでこの処理を冗長化し、より正確な制御を行うことができ、負荷制御システム10のさらなる安全化を図ることができる。
また、継電ユニット24は、第1入力回路14、第2入力回路15、リセット回路17、補助出力回路18、表示灯回路(報知部)19、および負荷連動回路20を備えている。また、負荷制御システム10において、継電ユニット24には、第1入力スイッチ12、第2入力スイッチ13、およびリセットスイッチ16が接続されている。
第1入力スイッチ12および第2入力スイッチ13の一例としてはそれぞれ、非常停止スイッチまたは安全センサが挙げられ、負荷制御システム10を安全に動作させることを目的として設けられている。第1入力回路14は、第1入力スイッチ12のオンオフにより生じた信号を、制御部2が適切に処理できる形態に変換し、制御部2に供給するものである。第2入力回路15は、第2入力スイッチ13のオンオフにより生じた信号を、制御部2が適切に処理できる形態に変換し、制御部2に供給するものである。
リセットスイッチ16は、第1入力スイッチ12および第2入力スイッチ13と共に、負荷制御システム10を安全に動作させることを目的として設けられている手動のスイッチである。リセット回路17は、リセットスイッチ16の押圧により生じた信号を、制御部2が適切に処理できる形態に変換し、制御部2に供給するものである。
補助出力回路18は、例えば負荷制御システム10の外部の装置(図示しない)による制御を目的として、負荷21への通電および非通電を検知した結果を負荷制御システム10の外部に出力する回路である。
表示灯回路19は、負荷制御システム10の状態に応じた点灯または点滅を行い、負荷制御システム10の状態を視認できるよう報知を行うものである。
負荷連動回路20は、負荷21の状態および/または動作と連動しており、例えば負荷21の各種状態および/または各種動作に応じて生じた信号を、制御部2が適切に処理できる形態に変換し、制御部2に供給するものである。
さらに、制御部2は、機械式スイッチ22および23のいずれか1つを被選択スイッチとして選択し、切替タイミングシフトを行う。なお、制御部2が被選択スイッチを選択する手法として例えば、(a)または(b)が考えられる。
(a)機械式スイッチ22および23のうち、過去に被選択スイッチとして選択された回数が最も少ないものを、被選択スイッチとして選択する。
(b)予め、機械式スイッチ22および23のうち被選択スイッチとして選択すべきものを、前記切替タイミングシフト毎に対応付け、この対応関係に沿って被選択スイッチを選択する。
前記切替タイミングシフトについて、さらなる具体例を説明する。前記切替タイミングシフトの一例としては、「接点アーク分散方式」と「接点アーク集中方式」とが挙げられる。以下、「接点アーク分散方式」と「接点アーク集中方式」とのそれぞれについて説明する。これらの説明においては、負荷21への通電が遮断された状態から、負荷21への通電を確立し、その後負荷21への通電を遮断するまでを、継電ユニット24の1回の動作として説明を行う。
(接点アーク分散方式)
継電ユニット24のN(Nは任意の自然数)回目の動作時、機械式スイッチ22を被選択スイッチとして選択する。このとき、まず、負荷21への通電を確立するときに、先に機械式スイッチ23を開状態から閉状態に切り替え、その後機械式スイッチ22を開状態から閉状態に切り替える(第1動作)。その後、負荷21への通電を遮断するときに、先に機械式スイッチ22を閉状態から開状態に切り替え、その後機械式スイッチ23を閉状態から開状態に切り替える(第2動作)。この継電ユニット24のN回目の動作においては常に、機械式スイッチ22の切り替えの瞬間に機械式スイッチ22からアークが発生し、機械式スイッチ23の切り替えの瞬間に機械式スイッチ23からアークは発生しない。
継電ユニット24のN+1回目の動作時、機械式スイッチ23を被選択スイッチとして選択する。このとき、まず、負荷21への通電を確立するときに、先に機械式スイッチ22を開状態から閉状態に切り替え、その後機械式スイッチ23を開状態から閉状態に切り替える(第1動作)。その後、負荷21への通電を遮断するときに、先に機械式スイッチ23を閉状態から開状態に切り替え、その後機械式スイッチ22を閉状態から開状態に切り替える(第2動作)。この継電ユニット24のN+1回目の動作においては常に、機械式スイッチ23の切り替えの瞬間に機械式スイッチ23からアークが発生し、機械式スイッチ22の切り替えの瞬間に機械式スイッチ22からアークは発生しない。
継電ユニット24のN回目の動作が、1回の前記切替タイミングシフトに相当し、継電ユニット24のN+1回目の動作が、別の1回の前記切替タイミングシフトに相当する。
これにより、アークの発生を機械式スイッチ22(第1有接点リレー回路5)および機械式スイッチ23(第2有接点リレー回路6)に振り分けることができる。従って、継電ユニット24の長寿命化が可能である。
本方式は、制御部2が、連続する2回の前記切替タイミングシフトにおいて、互いに異なる有接点リレー(第1有接点リレー回路5および第2有接点リレー回路6のそれぞれ)から、被選択スイッチ(機械式スイッチ22または23)を選択する方式であると言える。これにより、1回の前記切替タイミングシフトを単位として、この被選択スイッチを含む有接点リレーを変更することができる。従って、機械式スイッチにおけるアークの発生を複数の有接点リレーに振り分けることができる。
また、本方式に属するさらに好ましい例として、制御部2が、複数の有接点リレーの各々(第1有接点リレー回路5および第2有接点リレー回路6のそれぞれ)から被選択スイッチ(機械式スイッチ22または23)が選択される確率が、互いに均一となるように、被選択スイッチを選択することが挙げられる。これを実現する方法として、例えば、機械式スイッチ22を被選択スイッチとして選択する場合と、機械式スイッチ23を被選択スイッチとして選択する場合とを、M(Mは任意の自然数)回の前記切替タイミングシフト毎に切り替えることが考えられる。これにより、機械式スイッチにおけるアークの発生を複数の有接点リレーに均等に振り分けることができる。従って、継電ユニット24の十分な長寿命化が可能である。
(接点アーク集中方式)
まず、前提条件として、接点アーク集中方式を実施する場合、第1有接点リレー回路5または第2有接点リレー回路6が、高アーク耐性のリレー(高耐性リレー)である必要がある。ここでは一例として、第2有接点リレー回路6を高アーク耐性のリレーとし、第1有接点リレー回路5を汎用リレーとする。
継電ユニット24の毎回の動作時、機械式スイッチ23を被選択スイッチとして選択する。このとき、まず、負荷21への通電を確立するときに、先に機械式スイッチ22を開状態から閉状態に切り替え、その後機械式スイッチ23を開状態から閉状態に切り替える(第1動作)。その後、負荷21への通電を遮断するときに、先に機械式スイッチ23を閉状態から開状態に切り替え、その後機械式スイッチ22を閉状態から開状態に切り替える(第2動作)。この継電ユニット24の毎回の動作において常に、機械式スイッチ23の切り替えの瞬間に機械式スイッチ23からアークが発生し、機械式スイッチ22の切り替えの瞬間に機械式スイッチ22からアークは発生しない。
これにより、アークの発生を、意図的に、機械式スイッチ23(高アーク耐性のリレーである第2有接点リレー回路6)に集中させることができる。従って、継電ユニット24の長寿命化が可能である。
本方式は、制御部2が、全ての前記切替タイミングシフトにおいて、高耐性リレー(第2有接点リレー回路6)から、被選択スイッチ(機械式スイッチ23)を選択する方式であると言える。これにより、機械式スイッチにおけるアークの発生を、高アーク耐性のリレーである高耐性リレーに集中させることができる。この結果、汎用リレー(第1有接点リレー回路5)の短寿命化を抑制し、継電ユニット24の長寿命化が可能である。
(切替タイミングシフトの総括)
前記切替タイミングシフトを行ったとき、アークは、被選択スイッチの切り替えの瞬間に発生することとなる。換言すれば、制御部2による制御により、このアークが発生する機械式スイッチを、機械式スイッチ22および23のいずれかから選択することが可能となる。
これにより、前記(接点アーク分散方式)または前記(接点アーク集中方式)により、継電ユニット24の長寿命化が可能である。
また、前記(接点アーク分散方式)および前記(接点アーク集中方式)のいずれにおいても、第1有接点リレー回路5および第2有接点リレー回路6の全てを、無接点リレー、または、高アーク耐性のリレーに置き換える必要が無いので、安価な継電ユニット24を実現することが可能である。
前記(接点アーク分散方式)および前記(接点アーク集中方式)の例においては、被選択スイッチを被選択スイッチ以外の機械式スイッチより後に閉状態とさせる動作(第1動作)、および、被選択スイッチを被選択スイッチ以外の機械式スイッチより先に開状態とさせる動作(第2動作)のセットを、前記切替タイミングシフトとした。しかしながら、これら第1および第2動作のいずれか一方のみを、前記切替タイミングシフトとしてもよい。すなわち、前記(接点アーク分散方式)では、継電ユニット24の1回の動作内において、各機械式スイッチ22および23を開状態から閉状態に切り替えるときと、各機械式スイッチ22および23を閉状態から開状態に切り替えるときとで、互いに異なる被選択スイッチが選択されてもよい。
最後に、負荷制御システム10の動作の流れについて、下記(1)〜(7)を参照して簡単に説明する。なお、負荷制御システム10の初期状態においては、外部電源11、第1入力スイッチ12、第2入力スイッチ13、およびリセットスイッチ16がオフ状態であり、負荷連動回路20がオン状態である。また、同初期状態においては、機械式スイッチ22および23はいずれも開状態である。
(1)外部電源11がオン状態となり、これにより、制御部2が起動する。
(2)第1入力スイッチ12および第2入力スイッチ13がオン状態となる。これにより、負荷制御システム10が安全状態となる。
(3)リセットスイッチ16を押圧し、その後押圧を解除する。
(4)第1入力回路14および第2入力回路15から供給された信号により、前記(2)が行われたことを制御部2が認識する。また、リセット回路17から供給された信号により、前記(3)が行われたことを制御部2が認識する。
(5)制御部2がリレーコイル7および8のそれぞれを互いに独立して励磁する。これにより、機械式スイッチ22および23を互いに異なるタイミングで閉状態とすることが可能となり、前記切替タイミングシフトが可能となる。
(6)機械式スイッチ22および23の両方が閉状態となると、負荷21への通電が確立される。
(7)第1入力スイッチ12および第2入力スイッチ13の少なくとも一方がオフ状態となると、機械式スイッチ22および23の両方が開状態となり、負荷21への通電が遮断される。
制御部2による機械式スイッチ22および23の開閉制御の代わりに、前記切替タイミングシフトに従った各機械式スイッチ22および23の切り替えを実現する回路(ハードウェア)を用いて機械式スイッチ22および23の開閉制御を行ってもよい。
以上の説明では、第1有接点リレー回路5および第2有接点リレー回路6という、2つの有接点リレーを用いる例について説明したが、有接点リレーは3つ以上であってもよい。3つ以上の有接点リレーを用いる場合、複数の有接点リレーの各々から被選択スイッチが選択される確率が、互いに均一となるように、被選択スイッチを選択することによる効果がより顕著となる。
以上の内容は、切替回路3を制御して継電ユニット24と同等の機能を実現する場合においても同様である。すなわち、本発明は、切替回路3の制御方法をも包含しており、この場合、負荷制御システム10において制御部2が制御工程を実施していると解釈することができる。
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
本発明は、複数の有接点リレーのそれぞれに設けられた機械式スイッチが互いに直列接続されてなる直列回路であって、負荷および負荷の電源と直列接続されている直列回路を備えている、継電ユニット、および継電回路の制御方法に利用することができる。
2 制御部
3 切替回路(継電回路)
5 第1有接点リレー回路(有接点リレー)
6 第2有接点リレー回路(有接点リレー)
9 負荷用電源(負荷の電源)
21 負荷
22および23 機械式スイッチ
24 継電ユニット

Claims (4)

  1. 複数の有接点リレーのそれぞれに設けられた機械式スイッチが互いに直列接続されてなる直列回路と、
    前記直列回路を構成する各機械式スイッチの開状態および閉状態を切り替える制御部とを備えており、
    前記直列回路は、負荷および前記負荷の電源と直列接続されており、
    前記制御部は、
    前記各機械式スイッチのいずれか1つを被選択スイッチとして選択し、
    前記被選択スイッチを前記被選択スイッチ以外の前記機械式スイッチより後に閉状態とさせる第1動作、および、前記被選択スイッチを前記被選択スイッチ以外の前記機械式スイッチより先に開状態とさせる第2動作の少なくとも一方である切替タイミングシフトを行い、
    前記複数の有接点リレーのそれぞれは、自身に設けられた前記機械式スイッチがその開状態のときに接し、前記負荷の電源と継電ユニットの電源と絶縁分離するためのコンデンサに接続された接点を有していることを特徴とする継電ユニット。
  2. 前記制御部は、連続する2回の前記切替タイミングシフトにおいて、互いに異なる前記有接点リレーから、前記被選択スイッチを選択することを特徴とする請求項1に記載の継電ユニット。
  3. 前記制御部は、前記複数の有接点リレーの各々から前記被選択スイッチが選択される確率が、互いに均一となるように、前記被選択スイッチを選択することを特徴とする請求項2に記載の継電ユニット。
  4. 前記複数の有接点リレーは、汎用リレーと、前記汎用リレーよりアークに対する耐性が高い高耐性リレーとを有しており、
    前記制御部は、全ての前記切替タイミングシフトにおいて、前記高耐性リレーから、前記被選択スイッチを選択することを特徴とする請求項1に記載の継電ユニット。
JP2015018894A 2015-02-02 2015-02-02 継電ユニット Active JP6459573B2 (ja)

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