JP7337489B2 - リレー装置 - Google Patents
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Description
第1に本発明のリレー装置は、同じく圧電トランスを用いている。圧電トランスはバイモルフのような用途ではなく、リレー装置は機械式接点を用いない。リレー装置は、圧電トランスで一次側回路(入力側)と二次側回路(出力側)とを絶縁し、一次側回路が駆動電圧を印加して圧電トランスを駆動し、その出力を用いて二次側回路の半導体接点を駆動する。このとき二次側回路は、一次側回路が圧電トランスに対する駆動電圧の印加状態に応じて半導体接点の開閉(ON/OFF)を行う。
第2に本発明のリレー装置は、圧電トランスを用いている。圧電トランスはバイモルフのような用途ではなく、リレー装置は機械式接点を用いない。リレー装置は、圧電トランスで一次側回路(入力側)と二次側回路(出力側)とを絶縁するとともに、一次側回路で駆動電圧を印加して圧電トランスを駆動し、その出力を用いて二次側回路の半導体接点を駆動する。このとき一次側回路は、周波数を可変して駆動電圧を圧電トランスに印加し、その可変される駆動電圧の周波数に応じて二次側回路が半導体接点の開閉(ON/OFF)を行う。
図1は、第1実施形態のリレー装置100の構成を概略的に示すブロック図である。
リレー装置100は、圧電トランス102を利用した構成である。圧電トランス102は一次側回路104と二次側回路106とを絶縁する。
圧電トランス102は、例えばPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)等の圧電体を板状に成形し、分極処理して一次側(駆動部)と二次側(発電部)とを構成したものである。圧電体の表面には、一次側電極102a,102b及び二次側電極102c,102dが例えば銀ペースト等で厚膜形成されている。
一次側回路104は、主に周波数可変発振器108を有する。一次側回路104は、周波数可変発振器108で圧電トランス102の共振周波数の駆動電圧を生成し、一次側電極102a,102bを通じて圧電トランス102に印加する。圧電トランス102は、自身の昇圧比で駆動電圧を昇圧し、二次側電極102c,102dから出力する。
二次側回路106は、整流回路110、半導体接点112及び電圧検出器114を有する。整流回路110は二次側電極102c,102dからの出力電圧を直流変換し、半導体接点112に駆動電力として供給する。電圧検出器114は、整流回路110で直流変換された出力電圧を検出し、その検出結果に応じて半導体接点112を開閉(ON/OFF)駆動する。
図2は、第1実施形態で用いる圧電トランス102の昇圧特性と入力インピーダンスの位相(角度)との関係を示す図である。図中の実線が昇圧比を示し、破線が位相を示している。通常、位相が90度に近い領域(図中符号Ra)では圧電トランス102の入力インピーダンスが誘導性となり、それ以外では容量性となる。
このため本実施形態は、周波数可変発振器108で駆動電圧の周波数を領域Ra内で高低(「高」又は「低」)に可変し、各周波数で得られる昇圧特性の違いを利用して、半導体接点112を開閉駆動する。
図3中(A):ある時刻t0において、一次側回路104で入力端子T3にLowレベルの制御信号を入力したとする。
図3中(B):この場合、周波数可変発振器108は高周波側の周波数f2で発振し、圧電トランス102の昇圧比を低く設定する(「高」又は「低」のうち「低」)。
図3中(C):したがって、二次側回路106では圧電トランス102により伝送される出力電圧が低レベルV1として電圧検出器114により検出される。
図3中(D):電圧検出器114は出力電圧を低レベルV1として検出している間、半導体接点112を開(OFF)とする(接点非駆動)。これにより、リレー装置100の出力端子間T4,T5間抵抗は、開放状態(OFF)である。
図3中(A):一方、別の時刻t1において、一次側回路104で入力端子T3の制御信号をHighレベルにした場合は以下となる。
図3中(B):この場合、周波数可変発振器108は低周波側の周波数f1で発振し、圧電トランス102の昇圧比を高く設定する(「高」又は「低」のうち「高」)。
図3中(C):したがって、二次側回路106では、圧電トランス102で伝送される出力電圧が高レベルV2として検出される。
図3中(D)電圧検出器114は出力電圧が高レベルV2であることを検出すると、半導体接点112を開(OFF)から閉(ON)に切り替える(接点駆動)。これにより、リレー装置100の出力端子間T4,T5間抵抗は、ほぼ0Ωとなり短絡状態となる(ON)。
このとき、半導体接点112の応答に要する遅延時間τ1は、機械式リレー等の遅延時間(数ms~十数ms)に比較して圧倒的に短く(例えば1ms未満に)抑えられている。
図4は、第2実施形態のリレー装置120の構成を示すブロック図である。第2実施形態のリレー装置120は、二次側回路106内に第1整流回路110a及び第2整流回路110bを有する点が第1実施形態のリレー装置100と異なる。それ以外は第1実施形態のリレー装置100と同じであり、同じ構成については図4中に共通の符号を付し、その重複した説明を省略する。
図5は、第3実施形態のリレー装置130の構成を示すブロック図である。第1,第2実施形態と同様に、第3実施形態のリレー装置130も圧電トランス102を用いているが、他とは異なる構成の一次側回路105及び二次側回路107を有する。
図6中(A):ある時刻t0において、入力端子T1,T2間の入力(電源供給)はOFFとなっている。
図6中(B):この場合、発振器119は電源OFFの状態で発振動作を行わないため、圧電トランス102に印加する駆動信号もOFFとなっている。
図6中(C):圧電トランス102が駆動されないため半導体接点112も開(OFF)であり、リレー装置130の出力端子T3,T4間抵抗は、開放状態(OFF)である。
図6中(A):一方、別の時刻t1において、入力端子T1,T2間の入力(電源供給)がONになった場合は以下となる。
図6中(B):電源供給の開始(ON)に伴い、発振器119が動作を開始して駆動信号がONになる。なお、駆動信号は電源用のコンデンサC1が充電されるまでの応答時間を経て立ち上がり、圧電トランス102の駆動が開始される。
図6中(C):すると、圧電トランス102から自身の昇圧比で昇圧された電圧が出力され、整流回路110cによる整流を経て半導体接点112がONになる。このとき、半導体接点112の応答に要する遅延時間τ2は、電源用のコンデンサC1や整流(平滑)用コンデンサC2の充電時間の影響を受ける分、第1,第2実施形態に比較して大きくなるが、依然として機械式リレー等の遅延時間(数ms~十数ms)に比較すると圧倒的に短く(例えば1ms未満に)抑えられている。
次に、第2実施形態のリレー装置120を例に挙げて、各種の実用例をさらに説明する。以下では、各種実用例ごとに異なるリレー装置220,320,420,520を開示する。第2実施形態を例に挙げているのは、二次側回路106の構成を第1整流回路110aと第2整流回路110bに分けて構成した場合の実用例を網羅するためであり、以下の開示から第1実施形態のリレー装置100に適用した場合の実用例も合わせて理解される。
図7は、実用例1のリレー装置220の構成を示す回路図である。ここでは、図4に示すブロック構成要素と同一の構成要素に同じ符号を付している。
コルピッツ発振器108Aにおいて、2つのトランジスタQ1,Q2は、それぞれのコレクタを電流源とする増幅器を構成する。なお、図7の回路構成において、トランジスタQ1,Q2への直流バイアス回路は図示を省略している。コルピッツ発振器108Aは、トランジスタQ1,Q2の他にコンデンサC1,C2,C3及び圧電トランス102(PZT1)の一次側を加えてコルピッツ発振器を構成する。このうち、コンデンサC1,C2,C3に圧電トランス102の一次側電極102a,102bを加えた部分が共振回路を構成する。
二次側回路106において、ダイオードD1及びコンデンサC4が第1整流回路110aを構成するものである。また、ダイオードD2及びコンデンサC5が第2整流回路110bを構成するものである。なお、抵抗R1及びツェナーダイオードZD1は、電圧安定化回路を構成するものである。
コルピッツ発振器108Aは、圧電トランス102の入力インピーダンスが誘導性となる周波数帯(図2の領域Ra)で発振する。発振周波数は圧電トランス102の一次側電極102a,102b間インダクタンスL1とコンデンサC1,C2,C3との関係から定まり、以下の式〔数1〕で表される。
すなわち、入力端子T3にHighレベルの制御信号が入力されると、スイッチング素子SW1がONとなり、コルピッツ発振器108Aは低周波側の発振周波数f1で発振するため、圧電トランス102の昇圧比が「高」に設定される。
一方、入力端子T3にLowレベルの制御信号が入力されると、スイッチング素子SW1がOFFとなり、コルピッツ発振器108Aは高周波側の発振周波数f2で発振するため、圧電トランス102の昇圧比は「低」に設定される。
次に、実用例2を開示する。
図9は、実用例2のリレー装置320の構成を示す回路図である。ここでも同様に、図4に示すブロック構成要素と同一の構成要素に同じ符号を付している。図7に示す実用例1においては増幅器を構成するトランジスタQ1,Q2の直流バイアス回路の構成に言及していないが、実用例2では、好適な直流バイアス回路の構成を開示する。
コレクタ電圧=R3/(R2+R3)×E1
次に、実用例3を開示する。ここまでに開示した実用例1,2のコルピッツ発振器108A,108Bは、実際は圧電トランス102の他の共振周波数(所望とは別の共振周波数)でも発振する可能性がある。その結果、知らないうちに圧電トランス102が正常な(本来想定している)周波数で駆動されないこととなる。この場合、圧電トランス102の出力電圧は期待した出力電圧レベルに達しないため、半導体接点112に十分なゲート駆動電圧を印加できなくなって動作不良を生じたり、DET回路114の検出動作が異常になったりするなどの不具合を生じてしまう。
図12は、実用例3の回路でSW1がONの場合に構成される共振回路の等価回路図である(以下ではSW1がONの状態を想定して説明する。)。
すなわち、入力インピーダンスが誘導性となる周波数帯で圧電トランス102の一次側電極102a,102b間のインダクタンス(L)とコンデンサC1,C2,C3が共振回路を構成するとき、その等価回路は図12で表される。等価回路の電圧源eは、トランジスタQ1,Q2で構成される増幅器出力の電流源を、電圧源に変換した場合の等価電圧源(e)である。
ここで着目すべきは、実用例3の回路において、コンデンサC3(特定の容量素子)の端子間電圧がアンプIC1の反転入力端子へ帰還入力されている点である。すなわち、コンデンサC3は、上記のように回路内において共振回路の一部を構成しているが、同時にコンデンサC3の端子間電圧は図11における帰還電圧と考えることができる。
ω=ω0のとき、φ=0
ω>ω0のとき、φ<0
とする。
上式(1)に適当な初期電流iL(0)、角周波数ω=ω0、コンデンサ容量C1+C2、C3の値を入力してシミュレーションを行うと、図13に示される波形が得られる。このようにVb(t)は、図12の等価電圧源(e)の角周波数ωが圧電トランス102の入力インピーダンスの等価インダクタンスLと外部の容量C1,C2,C3との関係から定まる共振周波数ω0の場合はφ=0となり、共振周波数ω0より低周波で振動する場合は図13の波形より位相が進んでφ>0となり、共振周波数ω0より高周波の場合は図13の波形より位相が遅れてφ<0となる。
ここで、波形C3の帰還入力は以下の式〔数4〕で表される。
抵抗R14を経由してコンデンサC6から流れ出る電流は、その値(〔数6〕で表す値)からコンデンサC3の端子間電圧(〔数4〕で表す値)を差し引いた電圧値を抵抗R14の値で除すれば得られる。求める半周期に放電される電荷ΔQの値は、その電流値を時刻t=0から時刻t=π/ωの範囲で積分した値となり、以下の式(2)で表される。
ただし、上式(2)-1の第3項は、ここでは(2Vb0)/(ωR14)cos(φ)で遇関数であることから、φが0~πの範囲内でのみ上記の制御(マルチバイブレータ150の発振周波数を圧電トランス102の共振周波数に近づける制御)が可能である。
図16は、実用例4のリレー装置520の構成を示す回路図である。実用例4の回路において、マルチバイブレータ150の動作原理(共振周波数の制御)は実用例3と同様である。実用例3との相違は、周波数可変用にコンデンサC1ではなくコンデンサC2を使用し、そのためスイッチング素子SW1の接続が図11とは異なっている点である。
図17は、実用例4のリレー装置520に関する変形例を示す回路図である。
この変形例は、主に第1整流回路110a及び第2整流回路110bの回路構成に関するものであり、ブリッジ型ダイオードD1,D2と整流コンデンサD4,D5の構成をそれぞれ簡素化している。このような第1整流回路110a、第2整流回路110bの回路構成においても、好適に直流変換してリレー装置520を動作させることができる。
なお、ここでは実用例4を例に挙げているが、第1,第2実施形態のリレー装置100,120、実用例1~3のリレー装置220,320,420に適用してもよい。
102 圧電トランス
104 一次側回路
106 二次側回路
108 周波数可変発振器
108A,108B コルピッツ発振器
110,110a,110b 整流回路
112 半導体接点
114 電圧検出器
119 発振器
150 マルチバイブレータ
220,320,420,520 リレー装置(実用例1~4)
Claims (6)
- 圧電トランスと、
前記圧電トランスの入力インピーダンスが誘導性となる周波数帯で昇圧比を高低に異ならせる複数の周波数に可変して前記圧電トランスに駆動電圧を印加する一次側回路と、
前記圧電トランスの出力を用いて駆動される半導体接点を有し、前記一次側回路により可変される駆動電圧の周波数に応じて前記圧電トランスの昇圧比が高低に異なる結果、前記圧電トランスの出力電圧が高低に異なることに応じて前記半導体接点を開閉する二次側回路と
を備えたリレー装置。 - 請求項1に記載のリレー装置において、
前記二次側回路は、
前記圧電トランスの出力電圧を直流電圧に変換して前記半導体接点に駆動電力を供給する整流回路と、
前記整流回路により直流変換された出力電圧の高低を検出することで前記半導体接点の開閉状態を切り替える電圧検出器と
を含むことを特徴とするリレー装置。 - 請求項2に記載のリレー装置において、
前記整流回路は、
前記圧電トランスの二次側電極に接続されて前記半導体接点に駆動電力を供給する第1整流回路と、
前記圧電トランスの二次側電極に前記第1整流回路と並列に接続されて前記電圧検出器に検出電圧を供給する第2整流回路と
から構成されることを特徴とするリレー装置。 - 請求項1から3のいずれかに記載のリレー装置において、
前記一次側回路は、
前記圧電トランスに印加する駆動電圧の電流源となる増幅器と、前記圧電トランスとともに前記増幅器に接続された複数の容量素子とを有し、前記圧電トランスの入力インピーダンスが誘導性となる周波数帯で前記圧電トランスの一次側電極間インダクタンスと前記複数の容量素子との関係から定まる発振周波数を有したコルピッツ発振器と、
前記複数の容量素子の一部と他の容量素子との接続をスイッチングして前記発振周波数を可変するスイッチング素子と
を有することを特徴とするリレー装置。 - 請求項4に記載のリレー装置において、
前記一次側回路は、
前記増幅器として前記圧電トランスの一次側電極に接続された2つの極性が異なるトランジスタのうち一方のコレクタ電流を固定する固定回路と、
他方のトランジスタのベース電流にコレクタ電圧を帰還入力して他方のコレクタ電圧を一方のコレクタ電流に追従して均衡させる均衡回路と
を有することを特徴とするリレー装置。 - 請求項1から3の何れかに記載のリレー装置において、
前記一次側回路は、
前記圧電トランスに印加する駆動電圧の電流源となる増幅器と、前記圧電トランスとともに前記増幅器に接続された複数の容量素子とを有し、前記圧電トランスの入力インピーダンスが誘導性となる周波数帯で前記圧電トランスの一次側電極間インダクタンスと複数の容量素子との関係から定まる共振周波数を有した共振回路と、
前記複数の容量素子の一部と他の容量素子との接続をスイッチングして前記共振回路の共振周波数を可変するスイッチング素子と、
所定の容量素子の充放電特性に基づく発振周波数が前記共振回路の共振周波数に合わせて設定されたマルチバイブレータと、
前記共振回路内で充放電を行う特定の容量素子の電圧を帰還入力として前記所定の容量素子の充放電特性を変化させる帰還回路と
を有することを特徴とするリレー装置。
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