JP2010146841A

JP2010146841A - 故障診断装置および故障診断方法

Info

Publication number: JP2010146841A
Application number: JP2008322421A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Ishikura; 寛石倉
Original assignee: Digital Electronics Corp
Current assignee: Schneider Electric Japan Holdings Ltd
Priority date: 2008-12-18
Filing date: 2008-12-18
Publication date: 2010-07-01

Abstract

【課題】電磁リレーに接続された負荷への電力供給状態を変化させることなく、電磁リレーを駆動するトランジスタの故障を診断可能な故障診断装置を実現する。
【解決手段】本発明の故障診断部５は、電磁リレー３が動作しているとき、電磁リレー３の復帰時間より短い期間バイポーラトランジスタ４を非導通とするテスト信号をバイポーラトランジスタ４のベースに出力するテスト信号発生部５１と、バイポーラトランジスタ４のコレクタ電圧を診断する電圧検出部５２と、当該コレクタ電圧に基づいてバイポーラトランジスタ４が不良であるか否かを判定する判定部５３とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体スイッチによって駆動される電磁リレーに関するものであり、特に、電磁リレーに接続された負荷の状態を変化させずに半導体スイッチの故障を診断する技術に関するものである。

従来から、モータなどに流す大きな負荷電流を開閉するリレー装置として、電磁リレー（電磁接触器）が用いられている。図８は、一般的な電磁リレー１０の構成を示す図である。電磁リレー１０は、コイル１１、ばね１２、可動鉄心１３、固定接点１４ａ、可動接点１４ｂを備えており、コイル１１は、半導体スイッチ１５を介して電源１６に接続されている。固定接点１４ａおよび可動接点１４ｂからなる接点１４は、電磁リレー１０が動作することにより閉じるメーク接点である。

図８（ａ）は、電磁リレー１０が休止している状態を示しており、半導体スイッチ１５がオフ状態となっている。このとき、コイル１１には電圧が印加されないので、コイル１１には電磁力が発生せず、バネ１２によりコイル１１と可動鉄心１３とが離間し、それに伴い、固定接点１４ａと可動接点１４ｂとが離間している。すなわち、接点１４は開いた状態となる。

図８（ｂ）は、電磁リレー１０が動作している状態を示しており、半導体スイッチ１５がオン状態となっている。このとき、コイル１１には電源１６により電圧が印加され、コイル１１に電磁力が発生する。これにより、可動鉄心１３がコイル１１に引き付けられ、それに伴い、固定接点１４ａと可動接点１４ｂとが接触した状態、すなわち、接点１４が閉じた状態となっている。

このように、電磁リレー１０では、半導体スイッチ１５のオン／オフにより接点１４の開閉を行っているため、半導体スイッチ１５が故障している場合、接点１４の開閉制御を行うことができなくなる。したがって、電磁リレー１０の安全性を確保するためには、接点１４の故障だけでなく、半導体スイッチ１５の故障を診断・検出することが重要となる。

ここで、半導体スイッチ１５の故障を診断するために、電磁リレー１０に接続された負荷側の冗長接点の動作をモニタすると、負荷の故障であるか半導体スイッチ１５の故障であるかの判別ができない。そのため、半導体スイッチ１５の動作状態を変化させて、正常に導通／非導通となっているかを確認する必要がある。

電磁リレーを制御する半導体スイッチの故障を診断する技術を開示する文献として、特許文献１および２が挙げられる。

しかしながら、特許文献１では、半導体スイッチの機能を点検する際に、リレー装置を作動させなければならないので、リレー装置に接続された負荷の状態変化が許容されないシステムには適用できない。

一方、特許文献２に開示の構成では、電磁リレーを制御する半導体スイッチが電圧駆動型半導体素子である場合、通常動作では流れない半導体素子のゲート電流の有無を検出することにより、半導体素子の故障を診断している。この構成では、半導体素子の動作状態を変化させないので、電磁リレーが負荷に接続されている状態においても、負荷の状態を変化させることなく、半導体素子の故障を診断することができる。
特開平３−２６５４０１号公報（１９９１年１１月２６日公開）特開２００３−２１９６３１号公報（２００３年７月３１日公開）

しかしながら、特許文献１の構成では、半導体スイッチが導通している状態でなければ、半導体素子の故障を診断することができないという問題がある。また、特許文献１の構成では、電磁リレーを制御する半導体スイッチが、ＭＯＳトランジスタとバイポーラトランジスタとを組み合わせたＩＧＢ等の電圧駆動型半導体素子に限られるため、電流駆動型の半導体素子には適用できない。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、電磁リレーに接続された負荷への電力供給状態を変化させることなく、電磁リレーを駆動するトランジスタの故障を診断可能な故障診断装置および故障診断方法を実現することにある。

本発明に係る故障診断装置は、上記課題を解決するために、コイルの電磁力により接点の状態を制御する電磁リレーの当該コイルに印加する電圧を制御するトランジスタの故障を診断する故障診断装置であって、前記トランジスタのターンオン時間とターンオフ時間との合計が、上記電磁リレーの復帰時間より短く、上記トランジスタが導通して上記電磁リレーが動作しているとき、上記電磁リレーの復帰時間より短い期間上記トランジスタを非導通とする制御信号を上記トランジスタの制御電極へ出力しうるトランジスタ制御手段と、上記期間に上記トランジスタが非導通となったか否かに基づいて上記トランジスタが不良であるか否かを判定する判定手段とを有することを特徴としている。

上記の構成によれば、電磁リレーが動作しているとき、すなわち、トランジスタが導通状態でコイルに電圧が印加されているとき、トランジスタ制御手段によって、電磁リレーの復帰時間より短い期間トランジスタを非導通とする制御信号がトランジスタの制御電極に出力される。このとき、トランジスタが正常であれば、トランジスタが非導通となるので、判定手段は、上記期間にトランジスタが非導通となったか否かに基づいてトランジスタが不良であるか否かを判定することができる。ここで、トランジスタが非導通となることにより、コイルは電圧が印加されていない状態となるが、コイルに電圧が印加されていない期間は電磁リレーの復帰時間より短いので、電磁リレーが休止状態となることはなく、動作状態が継続する。したがって、電磁リレーに接続された負荷への電力供給状態を変化させることなく、電磁リレーを駆動するトランジスタの故障を診断可能な故障診断装置を実現できるという効果を奏する。

本発明に係る故障診断装置は、上記課題を解決するために、コイルの電磁力により接点の状態を制御する電磁リレーの当該コイルに印加する電圧を制御するトランジスタの故障を診断する故障診断装置であって、前記トランジスタのターンオン時間とターンオフ時間との合計が、上記電磁リレーの動作時間より短く、上記トランジスタが非導通で上記電磁リレーが休止しているとき、上記電磁リレーの動作時間より短い期間上記トランジスタを導通させる制御信号を上記トランジスタの制御電極へ出力しうるトランジスタ制御手段と、上記期間に上記トランジスタが導通したか否かに基づいて上記トランジスタが不良であるか否かを判定する判定手段とを有することを特徴としている。

上記の構成によれば、電磁リレーが休止しているとき、すなわち、トランジスタが非導通状態でコイルに電圧が印加されていないとき、トランジスタ制御手段によって、電磁リレーの動作時間より短い期間トランジスタを導通させる制御信号がトランジスタの制御電極に出力される。このとき、トランジスタが正常であれば、トランジスタが導通するので、判定手段は、上記期間にトランジスタが導通したか否かに基づいてトランジスタが不良であるか否かを判定することができる。ここで、トランジスタが導通することにより、コイルに電圧が印加されるが、コイルに電圧が印加される期間は電磁リレーの動作時間より短いので、電磁リレーが動作状態となることはなく、休止状態が継続する。したがって、電磁リレーに接続された負荷への電力供給状態を変化させることなく、電磁リレーを駆動するトランジスタの故障を診断可能な故障診断装置を実現できるという効果を奏する。

本発明に係る故障診断装置では、上記判定手段は、上記トランジスタの被制御電極の少なくともいずれかの電位に基づいて、上記トランジスタが上記制御信号に応じて動作したか否かを検出してもよい。

本発明に係る故障診断方法は、上記課題を解決するためにコイルの電磁力により接点の状態を制御する電磁リレーの当該コイルに印加する電圧を制御するトランジスタの故障を診断する故障診断方法であって、前記トランジスタのターンオン時間とターンオフ時間との合計が、上記電磁リレーの復帰時間より短く、上記トランジスタが導通して上記電磁リレーが動作しているとき、上記電磁リレーの復帰時間より短い期間上記トランジスタを非導通とする制御信号を上記トランジスタの制御電極へ出力するトランジスタ制御ステップと、上記期間に上記トランジスタが非導通となったか否かに基づいて上記トランジスタが不良であるか否かを判定する判定ステップとを有することを特徴としている。

上記の構成によれば、電磁リレーが動作しているとき、すなわち、トランジスタが導通状態でコイルに電圧が印加されているとき、トランジスタ制御ステップにおいて、電磁リレーの復帰時間より短い期間トランジスタを非導通とする制御信号がトランジスタの制御電極に出力される。このとき、トランジスタが正常であれば、トランジスタが非導通となるので、判定ステップにおいて、上記期間にトランジスタが非導通となったか否かに基づいてトランジスタが不良であるか否かを判定することができる。ここで、トランジスタが非導通となることにより、コイルは電圧が印加されていない状態となるが、コイルに電圧が印加されていない期間は電磁リレーの復帰時間より短いので、電磁リレーが休止状態となることはなく、動作状態が継続する。したがって、電磁リレーに接続された負荷への電力供給状態を変化させることなく、電磁リレーを駆動するトランジスタの故障を診断可能な故障診断方法を実現できるという効果を奏する。

本発明に係る故障診断方法は、コイルの電磁力により接点の状態を制御する電磁リレーの当該コイルに印加する電圧を制御するトランジスタの故障を診断する故障診断方法であって、前記トランジスタのターンオン時間とターンオフ時間との合計が、上記電磁リレーの動作時間より短く、上記トランジスタが非導通で上記電磁リレーが休止しているとき、上記電磁リレーの動作時間より短い期間上記トランジスタを導通させる制御信号を上記トランジスタの制御電極へ出力するトランジスタ制御ステップと、上記期間に上記トランジスタが導通したか否かに基づいて上記トランジスタが不良であるか否かを判定する判定ステップとを有することを特徴としている。

上記の構成によれば、電磁リレーが休止しているとき、すなわち、トランジスタが非導通状態でコイルに電圧が印加されていないとき、トランジスタ制御ステップにおいて、電磁リレーの動作時間より短い期間トランジスタを導通させる制御信号がトランジスタの制御電極に出力される。このとき、トランジスタが正常であれば、トランジスタが導通するので、判定ステップにおいて、上記期間にトランジスタが導通したか否かに基づいてトランジスタが不良であるか否かを判定することができる。ここで、トランジスタが導通することにより、コイルに電圧が印加されるが、コイルに電圧が印加される期間は電磁リレーの動作時間より短いので、電磁リレーが動作状態となることはなく、休止状態が継続する。したがって、電磁リレーに接続された負荷への電力供給状態を変化させることなく、電磁リレーを駆動するトランジスタの故障を診断可能な故障診断方法を実現できるという効果を奏する。

本発明に係る故障診断装置は、上記課題を解決するために、コイルの電磁力によりメーク接点を開閉する電磁リレーの当該コイルに印加する電圧を制御するトランジスタの故障を診断する故障診断装置であって、前記トランジスタのターンオン時間とターンオフ時間との合計が、上記電磁リレーの復帰時間より短く、上記メーク接点が閉じているとき、上記電磁リレーの復帰時間より短い期間上記トランジスタを非導通とする制御信号を上記トランジスタの制御電極へ出力しうるトランジスタ制御手段と、上記期間に上記トランジスタが非導通となったか否かに基づいて上記トランジスタが不良であるか否かを判定する判定手段とを有することを特徴としている。

上記の構成によれば、メーク接点が閉じているとき、すなわち、トランジスタが導通状態でコイルに電圧が印加されているとき、トランジスタ制御手段によって、電磁リレーの復帰時間より短い期間トランジスタを非導通とする制御信号がトランジスタの制御電極に出力される。このとき、トランジスタが正常であれば、トランジスタが非導通となるので、判定手段は、上記期間にトランジスタが非導通となったか否かに基づいてトランジスタが不良であるか否かを判定することができる。ここで、トランジスタが非導通となることにより、コイルは電圧が印加されていない状態となるが、コイルに電圧が印加されていない期間は電磁リレーの復帰時間より短いので、メーク接点が開くことはない。したがって、電磁リレーに接続された負荷への電力供給状態を変化させることなく、電磁リレーを駆動するトランジスタの故障を診断可能な故障診断装置を実現できるという効果を奏する。

本発明に係る故障診断装置は、上記課題を解決するために、コイルの電磁力によりメーク接点を開閉する電磁リレーの当該コイルに印加する電圧を制御するトランジスタの故障を診断する故障診断装置であって、前記トランジスタのターンオン時間とターンオフ時間との合計が、上記電磁リレーの動作時間より短く、上記メーク接点が開いているとき、上記電磁リレーの動作時間より短い期間上記トランジスタを導通させる制御信号を上記トランジスタの制御電極へ出力しうるトランジスタ制御手段と、上記期間に上記トランジスタが導通したか否かに基づいて上記トランジスタが不良であるか否かを判定する判定手段とを有することを特徴としている。

上記の構成によれば、メーク接点が開いているとき、すなわち、トランジスタが非導通状態でコイルに電圧が印加されていないとき、トランジスタ制御手段によって、電磁リレーの動作時間より短い期間トランジスタを導通させる制御信号がトランジスタの制御電極に出力される。このとき、トランジスタが正常であれば、トランジスタが導通するので、判定手段は、上記期間にトランジスタが導通したか否かに基づいてトランジスタが不良であるか否かを判定することができる。ここで、トランジスタが導通することにより、コイルに電圧が印加されるが、コイルに電圧が印加される期間は電磁リレーの動作時間より短いので、メーク接点が閉じることはない。したがって、電磁リレーに接続された負荷への電力供給状態を変化させることなく、電磁リレーを駆動するトランジスタの故障を診断可能な故障診断装置を実現できるという効果を奏する。

本発明に係る故障診断装置は、上記課題を解決するために、コイルの電磁力によりブレーク接点を開閉する電磁リレーの当該コイルに印加する電圧を制御するトランジスタの故障を診断する故障診断装置であって、前記トランジスタのターンオン時間とターンオフ時間との合計が、上記電磁リレーの動作時間より短く、上記ブレーク接点が閉じているとき、上記電磁リレーの動作時間より短い期間上記トランジスタを導通させる制御信号を上記トランジスタの制御電極へ出力しうるトランジスタ制御手段と、上記期間に上記トランジスタが導通したか否かに基づいて上記トランジスタが不良であるか否かを判定する判定手段とを有することを特徴としている。

上記の構成によれば、ブレーク接点が閉じているとき、すなわち、トランジスタが非導通状態でコイルに電圧が印加されていないとき、トランジスタ制御手段によって、電磁リレーの動作時間より短い期間トランジスタを導通させる制御信号がトランジスタの制御電極に出力される。このとき、トランジスタが正常であれば、トランジスタが導通するので、判定手段は、上記期間にトランジスタが導通したか否かに基づいてトランジスタが不良であるか否かを判定することができる。ここで、トランジスタが導通することにより、コイルに電圧が印加されるが、コイルに電圧が印加される期間は電磁リレーの動作時間より短いので、ブレーク接点が開くことはない。したがって、電磁リレーに接続された負荷への電力供給状態を変化させることなく、電磁リレーを駆動するトランジスタの故障を診断可能な故障診断装置を実現できるという効果を奏する。

本発明に係る故障診断装置は、上記課題を解決するために、コイルの電磁力によりブレーク接点を開閉する電磁リレーの当該コイルに印加する電圧を制御するトランジスタの故障を診断する故障診断装置であって、前記トランジスタのターンオン時間とターンオフ時間との合計が、上記電磁リレーの復帰時間より短く、上記ブレーク接点が開いているとき、上記電磁リレーの復帰時間より短い期間上記トランジスタを非導通とする制御信号を上記トランジスタの制御電極へ出力しうるトランジスタ制御手段と、上記期間に上記トランジスタが非導通となったか否かに基づいて上記トランジスタが不良であるか否かを判定する判定手段とを有することを特徴としている。

上記の構成によれば、ブレーク接点が開いているとき、すなわち、トランジスタが導通状態でコイルに電圧が印加されているとき、トランジスタ制御手段によって、電磁リレーの復帰時間より短い期間トランジスタを非導通とする制御信号がトランジスタの制御電極に出力される。このとき、トランジスタが正常であれば、トランジスタが非導通となるので、判定手段は、上記期間にトランジスタが非導通となったか否かに基づいてトランジスタが不良であるか否かを判定することができる。ここで、トランジスタが非導通となることにより、コイルは電圧が印加されていない状態となるが、コイルに電圧が印加されていない期間は電磁リレーの復帰時間より短いので、ブレーク接点が閉じることはない。したがって、電磁リレーに接続された負荷への電力供給状態を変化させることなく、電磁リレーを駆動するトランジスタの故障を診断可能な故障診断装置を実現できるという効果を奏する。

本発明に係る故障診断装置は、以上のように、コイルの電磁力により接点の状態を制御する電磁リレーの当該コイルに印加する電圧を制御するトランジスタの故障を診断する故障診断装置であって、前記トランジスタのターンオン時間とターンオフ時間との合計が、上記電磁リレーの復帰時間より短く、上記トランジスタが導通して上記電磁リレーが動作しているとき、上記電磁リレーの復帰時間より短い期間上記トランジスタを非導通とする制御信号を上記トランジスタの制御電極へ出力しうるトランジスタ制御手段と、上記期間に上記トランジスタが非導通となったか否かに基づいて上記トランジスタが不良であるか否かを判定する判定手段とを有するので、電磁リレーに接続された負荷への電力供給状態を変化させることなく、電磁リレーを駆動するトランジスタの故障を診断可能な故障診断装置を実現できるという効果を奏する。

また、本発明に係る故障診断方法は、以上のように、コイルの電磁力により接点の状態を制御する電磁リレーの当該コイルに印加する電圧を制御するトランジスタの故障を診断する故障診断方法であって、前記トランジスタのターンオン時間とターンオフ時間との合計が、上記電磁リレーの復帰時間より短く、上記トランジスタが導通して上記電磁リレーが動作しているとき、上記電磁リレーの復帰時間より短い期間上記トランジスタを非導通とする制御信号を上記トランジスタの制御電極へ出力するトランジスタ制御ステップと、上記期間に上記トランジスタが非導通となったか否かに基づいて上記トランジスタが不良であるか否かを判定する判定ステップとを有するので、電磁リレーに接続された負荷への電力供給状態を変化させることなく、電磁リレーを駆動するトランジスタの故障を診断可能な故障診断方法を実現できるという効果を奏する。

本発明の一実施形態について図１〜図７に基づいて説明すると以下の通りである。

図２は、本実施形態に係る制御システム１の構成を示すブロック図である。制御システム１は、プログラマブル表示器２、電磁リレー３、リレー制御部４、故障診断部５およびデバイス６を備えている。

プログラマブル表示器２は、ユーザが制御システム１を制御／監視するための携帯型のＨＭＩ（ＨｕｍａｎＭａｃｈｉｎｅＩｎｔｅｒｆａｃｅ）であり、アンテナ２１を有している。また、プログラマブル表示器２は、図示しない表示画面、タッチパネルおよび非常停止ボタンを備えており、ユーザの操作に応じた指示信号をアンテナ２１から発信する。

デバイス６は、例えば製造ラインに配置される電磁弁やアクチュエータである。デバイス６に電力を供給するデバイス用電源Ｖ１は、電磁リレー３を介してデバイス６に接続されている。電磁リレー３は、コイルの電磁力により接点を開閉する構成であり、電磁リレー３の接点が閉じているとき、デバイス用電源Ｖ１からデバイス６に電力が供給され、接点が開いているとき、デバイス用電源Ｖ１からデバイス６への電力供給が遮断される。

また、電磁リレー３を駆動するリレー用電源Ｖ２が、リレー制御部４を介して電磁リレー３に接続されている。リレー制御部４は、例えば各種トランジスタのようなスイッチング素子であれば良く、本実施形態では、バイポーラトランジスタを用いている。リレー制御部４およびリレー用電源Ｖ２は、図８に示す半導体スイッチ１５および電源１６に相当する。リレー制御部４には、プログラマブル表示器２のアンテナ２１からの信号を受信するためのアンテナ４１が接続されている。

通常時では、電磁リレー３の接点は閉じており、デバイス６に電力が供給される状態となっている。ここで、デバイス６を緊急停止させる場合、ユーザはプログラマブル表示器２の緊急停止ボタンを押下することにより、アンテナ２１から停止信号を発信させる。リレー制御部４は、アンテナ４１により停止信号を受信し、リレー制御部４が非導通状態となる。これにより、電磁リレー３の接点が開き、デバイス６への電力供給が遮断される。

さらに、制御システム１では、リレー制御部４に、リレー制御部４の故障を診断するための故障診断部５が接続されている。続いて、故障診断部５によるリレー制御部４の故障診断について、図１に基づいて具体的に説明する。

図１は、図２に示す電磁リレー３、リレー制御部４および故障診断部５の具体的な構成を示す図である。なお、本実施形態では、リレー制御部４はバイポーラトランジスタであるので、以下の説明ではリレー制御部４をバイポーラトランジスタ４と称する。また、図１では、図２に示すアンテナ４１を省略している。

電磁リレー３は、コイル３１、接点３２およびダイオード３３を備えている。電磁リレー３の全体構成は、図８に示す電磁リレー１０と略同様である。すなわち、コイル３１の構成は、図８に示すコイル１１の構成と略同様であり、接点３２の構成は、図８に示す固定接点１４ａおよび可動接点１４ｂと略同様である。

接点３２は、電磁リレー３の動作時に閉状態となるメーク接点である。具体的には、コイル３１に電圧が印加された状態では接点３２が閉じており、コイル３１の電圧が印加されていない状態では接点３２が開いている。

コイル３１はバイポーラトランジスタ４のコレクタと接続されており、バイポーラトランジスタ４のエミッタは接地されている。これにより、バイポーラトランジスタ４が導通しているとき、コイル３１にリレー用電源Ｖ２からの電圧が印加され、バイポーラトランジスタ４が非導通であるとき、コイル３１には電圧が印加されない。このように、バイポーラトランジスタ４は、コイル３１に印加する電圧を制御している。

故障診断部５は、テスト信号発生部５１、電圧検出部５２および判定部５３を備えている。テスト信号発生部５１は、バイポーラトランジスタ４のベースに接続されており、バイポーラトランジスタ４の故障診断のためのテスト信号（制御信号）を当該ベースに出力する。テスト信号に関する具体的な説明は後述する。

電圧検出部５２は、バイポーラトランジスタ４のコレクタに接続されており、バイポーラトランジスタ４のコレクタ電圧を検出する。判定部５３は、上記テスト信号とバイポーラトランジスタ４のコレクタ電圧とに基づいて、バイポーラトランジスタ４が不良であるか否かを判定する。

テスト信号発生部５１の発生するテスト信号は、電磁リレー３の復帰時間よりも短い期間バイポーラトランジスタ４を非導通とする信号である。先に、復帰時間について説明する。

図３は、接点３２が閉状態（ＯＮ）から開状態（ＯＦＦ）になる場合を示しており、（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ、バイポーラトランジスタ４のベース電流、バイポーラトランジスタ４のコレクタ電圧、コイル３１の電流、および接点３２の開閉状態を示す図である。

まず、バイポーラトランジスタ４のベース電流がＩ_Ｂのとき、バイポーラトランジスタ４は導通状態であるので、コイル３１に印加される電圧は、リレー用電源Ｖ２と同電位であるＶ_ＯＮとなる。バイポーラトランジスタ４の抵抗がコイル３１の抵抗に比べて非常に小さいため、このとき、バイポーラトランジスタ４のコレクタ電圧は、０Ｖとなる。

続いて、時点Ｔ_１においてバイポーラトランジスタ４のベース電流がＩ_Ｂから０になったとき、バイポーラトランジスタ４は非導通状態となる。このとき、バイポーラトランジスタ４のコレクタ電圧は、リレー用電源Ｖ２と同電位であるＶ_ＯＮとなり、コイル３１に印加される電圧は０となる。印加電圧が０になると、コイル３１に流れていた電流は、コイル３１およびダイオード３３からなるループを循環するようになるが、電流の変化を打ち消す方向に働く誘導起電力がコイル３１に発生するため、図３（ｃ）に示すように、コイル３１の電流は、即座にＩ_Ｂから０になるバイポーラトランジスタ４のベース電流とは異なり、徐々に減少する。これにより、コイル３１の電磁力も徐々に減少するため、接点３２はＴ_１の時点から一定時間、閉状態を継続する。

その後、時点Ｔ_２においてコイル３１の電流がリレー遮断電流Ｉ_ＯＦＦまで減少すると、図３（ｄ）に示すように、接点３２は開状態（ＯＦＦ）となる。リレー遮断電流Ｉ_ＯＦＦは、例えば定常電流Ｉ_０の約１０％である。このように、接点３２は、バイポーラトランジスタ４が非導通状態となっても、すぐには開状態とはならない。バイポーラトランジスタ４が非導通状態となることにより、コイル３１は電圧が印加されていない状態となる。コイル３１に電圧が印加されていない状態となってから接点３２が開状態となるまでの時間Ｔ_ＯＦＦ（Ｔ_ＯＦＦ＝Ｔ_２−Ｔ_１）を、復帰時間（リレー開放遅延時間）という。この復帰時間は、電磁リレー３の機種によって異なるが、概ね４〜４０ｍｓである。

ついで、トランジスタの故障診断装置の動作について説明する。

図４（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ、バイポーラトランジスタ４の故障診断テスト時における、バイポーラトランジスタ４のベース電流、バイポーラトランジスタ４のコレクタ電圧、コイル３１の電流、および接点３２の開閉状態を示す図である。

図４（ａ）に示すバイポーラトランジスタ４のベース電流は、テスト信号発生部５１から出力され、所定時間ごとに期間ｔ_１だけ０となる波形を有している。これに伴い、バイポーラトランジスタ４が正常であれば、バイポーラトランジスタ４は非導通状態となり、期間ｔ_１だけコイル３１に印加される電圧が０となる。本実施形態では、期間ｔ_１を１ｍｓとしている。

したがって、バイポーラトランジスタ４が正常であれば、バイポーラトランジスタ４のベース電流が０のとき、図４（ｂ）に示すように、バイポーラトランジスタ４のコレクタ電圧の波形は、Ｖ_ＯＮとなる。バイポーラトランジスタ４のコレクタ電圧は、図１に示す電圧検出部５２によって検出され、検出結果が判定部５３に入力される。

また、判定部５３には、テスト信号発生部５１の出力波形も入力される。判定部５３は、バイポーラトランジスタ４のコレクタ電圧の波形とテスト信号の波形とを比較することにより、期間ｔ_１にバイポーラトランジスタ４が非導通となったか否かを検知する。これにより、バイポーラトランジスタ４が不良であるか否かを判定することができる。

ここで、上記のように、期間ｔ_１は、電磁リレー３の復帰時間Ｔ_ＯＦＦより短い１ｍｓに設定されている。したがって、バイポーラトランジスタ４が非導通状態となっても、図４（ｃ）に示すように、コイル３１の電流はリレー遮断電流Ｉ_ＯＦＦまで低下することはない。よって、接点３２は閉状態（ＯＮ）のまま推移し、電磁リレー３に接続されるデバイス６の状態は変化しない。たとえば、稼動状態であるデバイス６は、稼動状態が保たれたままとなり、その状態は変化しない。すなわち、負荷への電力供給状態は変化しない。

なお、上記の期間ｔ_１は、バイポーラトランジスタ４が動作可能な時間の範囲内で設定される。一般に、半導体スイッチの動作速度は、電磁リレーの動作速度よりも速いので、バイポーラトランジスタ４の動作可能な時間は、電磁リレー３の復帰時間よりも短い。したがって、電磁リレー３の復帰時間より短い期間だけバイポーラトランジスタ４を非導通とすることは容易である。

また、本実施形態では、テスト信号によりバイポーラトランジスタ４を非導通とする周期を、例えば１００ｍｓに設定している。この周期は、電磁リレー３に要求される安全規格に応じて適宜設定される。

このように、本実施形態では、バイポーラトランジスタ４の故障診断テスト時に、電磁リレー３の復帰時間より短い期間バイポーラトランジスタ４を非導通状態にするので、接点３２は閉じたままである。したがって、デバイス６の状態を変化させることなく、バイポーラトランジスタ４を動作させてバイポーラトランジスタ４の故障の有無を診断することができる。

なお、上記実施形態では、ベース電流がＩ_Ｂから０に変化すると、コレクタ電圧が０からＶ_ＯＮになるか否かで判定しているが、ベース電流を段階的に、すなわちＩ_Ｂから０まで例えば１０段階で変化させるようにして、コレクタ電圧がどのように変化するかを測定するようにすれば、バイポーラトランジスタ４の経年変化や劣化も診断することができる。例えば、コレクタ電圧をＶ_ＯＮとするために新規使用開始時に比べて所定以上に高いベース電流を必要とすることが観察された場合、バイポーラトランジスタ４が劣化していると判定する。この場合は、ベース電流をＩ_Ｂから０へ変化させるのに要する時間を、復帰時間より短くする必要があるのは当然である。これにより、バイポーラトランジスタ４の劣化の有無を診断できるので、バイポーラトランジスタ４の故障による電磁リレー３の誤動作を未然に防ぐことができる。なお、バイポーラトランジスタ４の代わりにＭＯＳトランジスタを用いる場合も、ゲート電圧を段階的に変化させることにより、ＭＯＳトランジスタの劣化具合を診断してもよい。

なお、劣化のため、まれに所定以上に低いベース電流によりコレクタ電圧がＶ_ＯＮとなることもあるが、いずれの場合であっても所定のベース電流と異なるベース電流によりコレクタ電圧がＶ_ＯＮとなるので、劣化を診断することができる。

以上では、電磁リレー３の接点３２を閉じた状態で、バイポーラトランジスタ４の故障の有無を診断する構成について説明した。続いて、電磁リレー３の接点３２を開いた状態で、バイポーラトランジスタ４の故障の有無を診断する構成について説明する。この場合、図１に示すテスト信号発生部５１は、電磁リレー３の動作時間よりも短い期間バイポーラトランジスタ４を導通させるテスト信号を出力する。先に、動作時間について説明する。

図５は、図１に示す接点３２が開状態（ＯＦＦ）から閉状態（ＯＮ）になる場合を示しており、（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ、バイポーラトランジスタ４のベース電流、バイポーラトランジスタ４のコレクタ電圧、コイル３１の電流、および接点３２の開閉状態を示す図である。

まず、バイポーラトランジスタ４のベース電流が０のとき、バイポーラトランジスタ４は非導通状態であるので、コイル３１に印加される電圧は、０である。このとき、バイポーラトランジスタ４のコレクタ電圧は、リレー用電源Ｖ２と同電位であるＶ_ＯＮとなる。

続いて、時点Ｔ_３においてバイポーラトランジスタ４のベース電流が０からＩ_Ｂになったとき、バイポーラトランジスタ４は導通状態となる。このとき、バイポーラトランジスタ４のコレクタの電位は、即座に０となる。したがって、コイル３１に印加される電圧はＶ_ＯＮとなるが、電流の変化を打ち消す方向に働く誘導起電力が発生するため、図５（ｃ）に示すように、コイル３１の電流は、即座に０からＩ_Ｂになるバイポーラトランジスタ４のベース電流とは異なり、徐々に増加する。これにより、コイル３１の電磁力も徐々に増加するため、接点３２はＴ_３の時点から一定時間、開状態を継続する。

その後、時点Ｔ_４においてコイル３１の電流がリレー駆動電流Ｉ_ＯＮまで増加すると、図５（ｄ）に示すように、接点３２は閉状態（ＯＮ）となる。リレー駆動電流Ｉ_ＯＮは、例えば定常電流Ｉ_０の約７５％である。このように、接点３２は、バイポーラトランジスタ４が導通状態となっても、すぐには閉状態とはならない。バイポーラトランジスタ４が導通状態となることにより、コイル３１は印加された状態となる。コイル３１に電圧を印加してから接点３２が閉状態となるまでの時間Ｔ_ＯＮ（Ｔ_ＯＮ＝Ｔ_４−Ｔ_３）を、動作時間（リレー閉遅延時間）という。この動作時間は、電磁リレー３の機種によって異なるが、概ね８〜５０ｍｓである。

図６（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ、バイポーラトランジスタ４の故障診断テスト時における、バイポーラトランジスタ４のベース電流、バイポーラトランジスタ４のコレクタ電圧、コイル３１の電流、および接点３２の開閉状態を示す図である。

図６（ａ）に示すバイポーラトランジスタ４のベース電流は、テスト信号発生部５１から出力され、所定時間ごとに期間ｔ_２だけＩ_Ｂとなる波形を有している。これに伴い、バイポーラトランジスタ４が正常であれば、バイポーラトランジスタ４は導通状態となり、期間ｔ_２だけコイル３１に印加される電圧がＶ_ＯＮとなる。本実施形態では、期間ｔ_２を１ｍｓとしている。

したがって、バイポーラトランジスタ４が正常であれば、バイポーラトランジスタ４のベース電流がＩ_Ｂのとき、図６（ｂ）に示すように、バイポーラトランジスタ４のコレクタ電圧の値は、０となる。バイポーラトランジスタ４のコレクタ電圧は、図１に示す電圧検出部５２によって検出され、検出結果が判定部５３に入力され、判定部５３は、バイポーラトランジスタ４のコレクタ電圧の波形とテスト信号の波形とを比較することにより、期間ｔ_２にバイポーラトランジスタ４が導通したか否かを検知する。これにより、バイポーラトランジスタ４が不良であるか否かを診断することができる。

ここで、上記のように、期間ｔ_２は、電磁リレー３の動作時間Ｔ_ＯＮより短い１ｍｓに設定されている。したがって、バイポーラトランジスタ４が導通状態となっても、図６（ｃ）に示すように、コイル３１の電流はリレー駆動電流Ｉ_ＯＮまで上昇することはない。よって、接点３２は開状態（ＯＦＦ）のまま推移し、電磁リレー３に接続されるデバイス６の状態は変化しない。

なお、上記の期間ｔ_２も、期間ｔ_１と同様、バイポーラトランジスタ４が動作可能な時間の範囲内で設定される。一般に、半導体スイッチの動作速度は、電磁リレーの動作速度よりも速いので、バイポーラトランジスタ４の動作可能な時間、すなわち、半導体スイッチのターンオン時間とターンオフ時間との合計は、電磁リレー３の動作時間よりも短い。したがって、電磁リレー３の動作時間より短い期間だけバイポーラトランジスタ４を導通させることは容易である。

このように、本実施形態では、バイポーラトランジスタ４の故障診断テスト時に、電磁リレー３の動作時間より短い期間バイポーラトランジスタ４を導通状態にするので、接点３２は開いたままである。したがって、デバイス６の状態を変化させることなく、バイポーラトランジスタ４の故障の有無を診断することができる。

本実施形態では、電圧検出部５２は、バイポーラトランジスタ４のコレクタ電圧を検出する構成であったが、これに限定されず、図７に示すように、例えば、電圧検出部５２が、バイポーラトランジスタ４のエミッタ電圧を検出する構成としてもよい。この場合、バイポーラトランジスタ４が導通状態の場合と非導通状態の場合とで、エミッタ電圧が異なるようにするため、バイポーラトランジスタ４のエミッタと接地との間に抵抗７を設ける必要がある。

また、本実施形態では、判定部５３は、電圧検出部５２によって検出されたバイポーラトランジスタ４のコレクタ電圧またはエミッタ電圧に基づいて、バイポーラトランジスタ４がテスト信号に従って導通／非導通となったか否かを検知していたが、バイポーラトランジスタ４がテスト信号に従って導通／非導通となったか否かを検知する方法は、これに限定されない。例えば、判定部５３は、バイポーラトランジスタ４のコレクタまたはエミッタに流れる電流を検知することにより、バイポーラトランジスタ４がテスト信号に従って導通／非導通となったか否かを検知してもよい。

また、本実施形態では、接点３２は、電磁リレー３の動作時に閉状態となるメーク接点である場合について説明したが、これに限定されず、接点３２は、電磁リレー３の動作時に開状態となるブレーク接点であってもよい。この場合は、バイポーラトランジスタ４の故障診断テスト時に、バイポーラトランジスタ４を次のように制御する。

すなわち、接点３２が閉じている場合、電磁リレー３の動作時間より短い期間バイポーラトランジスタ４を導通状態にする。これにより、接点３２は閉状態のまま維持されるので、デバイス６の状態を変化させることなく、バイポーラトランジスタ４の故障の有無を診断することができる。一方、接点３２が開いている場合、電磁リレー３の復帰時間より短い期間バイポーラトランジスタ４を非導通状態にする。これにより、接点３２は開状態のまま維持されるので、デバイス６の状態を変化させることなく、バイポーラトランジスタ４の故障の有無を診断することができる。

さらに、接点３２が切換接点であってもよい。この場合、バイポーラトランジスタ４が導通して電磁リレー３が動作状態にあるとき、電磁リレー３の復帰時間より短い期間バイポーラトランジスタ４を非導通状態にする。また、バイポーラトランジスタ４が非導通で電磁リレー３が休止状態にあるとき、電磁リレー３の動作時間より短い期間バイポーラトランジスタ４を導通状態にする。これにより、故障診断テストを行う間、接点３２の状態が変わらないので、デバイス６の状態を変化させることなく、バイポーラトランジスタ４の故障の有無を診断することができる。

また、本実施形態では、バイポーラトランジスタ４がＮＰＮ型バイポーラトランジスタであったが、バイポーラトランジスタ４としてＰＮＰ型バイポーラトランジスタを用いてもよい。また、電磁リレー３のコイル３１を駆動する半導体スイッチとして、ＭＯＳトランジスタを用いてもよい。

本発明は上述した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る。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を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、半導体スイッチによって駆動される電磁リレーを備える制御システムに好適に適用できる。

本発明の実施形態に係る制御システムの電磁リレー、リレー制御部および故障診断部の具体的な構成を示す図である。本発明の実施形態に係る制御システムの構成を示すブロック図である。図１に示す接点が閉状態から開状態になる場合を示しており、（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ、本発明の実施形態に係る制御システムのバイポーラトランジスタのベース電流、バイポーラトランジスタのコレクタ電圧、コイルの電流、および接点の開閉状態を示す図である。（ａ）〜（ｄ）はぞれぞれ、バイポーラトランジスタの故障診断テスト時における、バイポーラトランジスタのベース電流、バイポーラトランジスタのコレクタ電圧、コイルの電流、および接点の開閉状態を示す図である。図１に示す接点が開状態から閉状態になる場合を示しており、（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ、バイポーラトランジスタのベース電流、バイポーラトランジスタのコレクタ電圧、コイルの電流、および接点の開閉状態を示す図である。（ａ）〜（ｄ）はぞれぞれ、バイポーラトランジスタの故障診断テスト時における、バイポーラトランジスタのベース電流、バイポーラトランジスタのコレクタ電圧、コイルの電流、および接点の開閉状態を示す図である。本発明の実施形態の変形例に係るリレー制御部の構成を示す回路図である。一般的な電磁リレーの構成を示す図である。

符号の説明

３電磁リレー
４バイポーラトランジスタ（トランジスタ）
５故障診断部（故障診断装置）
３１コイル
３２接点
５１テスト信号発生部（トランジスタ制御手段）
５２電圧検出部（判定手段）
５３判定部（判定手段）

Claims

コイルの電磁力により接点の状態を制御する電磁リレーの当該コイルに印加する電圧を制御するトランジスタの故障を診断する故障診断装置であって、
前記トランジスタのターンオン時間とターンオフ時間との合計が、上記電磁リレーの復帰時間より短く、
上記トランジスタが導通して上記電磁リレーが動作しているとき、上記電磁リレーの復帰時間より短い期間上記トランジスタを非導通とする制御信号を上記トランジスタの制御電極へ出力しうるトランジスタ制御手段と、
上記期間に上記トランジスタが非導通となったか否かに基づいて上記トランジスタが不良であるか否かを判定する判定手段とを有することを特徴とする故障診断装置。
コイルの電磁力により接点の状態を制御する電磁リレーの当該コイルに印加する電圧を制御するトランジスタの故障を診断する故障診断装置であって、
前記トランジスタのターンオン時間とターンオフ時間との合計が、上記電磁リレーの動作時間より短く、
上記トランジスタが非導通で上記電磁リレーが休止しているとき、上記電磁リレーの動作時間より短い期間上記トランジスタを導通させる制御信号を上記トランジスタの制御電極へ出力しうるトランジスタ制御手段と、
上記期間に上記トランジスタが導通したか否かに基づいて上記トランジスタが不良であるか否かを判定する判定手段とを有することを特徴とする故障診断装置。
上記判定手段は、上記トランジスタの被制御電極の少なくともいずれかの電位に基づいて、上記トランジスタが上記制御信号に応じて動作したか否かを検出することを特徴とする請求項１または２に記載の故障診断装置。
コイルの電磁力により接点の状態を制御する電磁リレーの当該コイルに印加する電圧を制御するトランジスタの故障を診断する故障診断方法であって、
前記トランジスタのターンオン時間とターンオフ時間との合計が、上記電磁リレーの復帰時間より短く、
上記トランジスタが導通して上記電磁リレーが動作しているとき、上記電磁リレーの復帰時間より短い期間上記トランジスタを非導通とする制御信号を上記トランジスタの制御電極へ出力するトランジスタ制御ステップと、
上記期間に上記トランジスタが非導通となったか否かに基づいて上記トランジスタが不良であるか否かを判定する判定ステップとを有することを特徴とする故障診断方法。
コイルの電磁力により接点の状態を制御する電磁リレーの当該コイルに印加する電圧を制御するトランジスタの故障を診断する故障診断方法であって、
前記トランジスタのターンオン時間とターンオフ時間との合計が、上記電磁リレーの動作時間より短く、
上記トランジスタが非導通で上記電磁リレーが休止しているとき、上記電磁リレーの動作時間より短い期間上記トランジスタを導通させる制御信号を上記トランジスタの制御電極へ出力するトランジスタ制御ステップと、
上記期間に上記トランジスタが導通したか否かに基づいて上記トランジスタが不良であるか否かを判定する判定ステップとを有することを特徴とする故障診断方法。