JP2011016391A - 回路遮断器 - Google Patents

Abstract

【課題】サイズ、重量、コスト等を増大させることなく、あらゆる異常に対処して確実に回路を遮断できるようにする。
【解決手段】本発明に係る回路遮断器１は、電源２と負荷３とを接続する配線の接続状態を切り替える電源スイッチ４と、負荷３に電力供給を行う場合に駆動電流を出力する駆動電流出力回路５と、駆動電流が出力された場合に電源スイッチ４を接続状態にし、駆動電流が出力されない場合に電源スイッチ４を切断状態にする第１のリレー回路６と、プラス側ヒューズ７と、マイナス側ヒューズ８と、駆動電流が出力された場合に電源２、電源スイッチ３、プラス側ヒューズ７、及びマイナス側ヒューズ８が接続されてなる検査回路９を開放状態にし、駆動電流が出力されない場合に検査回路９を閉鎖状態にする第２のリレー回路１０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、異常発生時に電気回路を遮断する回路遮断器に関する。

従来から、様々な電子機器において回路遮断器が用いられている。回路遮断器は、電気回路に短絡、過電流等の異常が発生した場合、非常停止が必要な場合等に、危険源となる負荷への電力供給を強制的に遮断するものである。例えば、近年開発が進められている電気動力機構を備えたハイブリッド自動車、電気自動車、又各種ロボット等に使用される回路遮断器には、極めて高い信頼性が要求される。

以下に、回路遮断器に係る先行技術を挙げる。特許文献１において、電源側に接続された第１の接続端子及び負荷側に接続された第２の接続端子の間に流れる電流を遮断する電流遮断部と、入力された遮断信号に基づいて電流遮断部を駆動する遮断駆動部と、電流遮断後に第１及び第２の接続端子に接続して電流を復帰させる電流復帰部と、入力された復帰信号に基づいて電流復帰部を駆動する復帰駆動部とを備える構成が開示されている。これにより、回路遮断後に回路を復帰させることができるとされている。

特許文献２において、補助電源により駆動する作動状態検出手段が主回路又は負荷の作動状態に応じて発する作動信号が、任意の設定値以上になると、スイッチング素子により主電源を短絡してヒューズを溶断し、負荷に供給される電流を遮断する構成が開示されている。これにより、ヒューズが溶断された後においても補助電源により作動状態検出手段等を駆動させることができるとされている。

特許文献３において、電池から流れる電流値と、実際に動作している機器の電流値との総計を算出し、これら両電流値を比較して、障害が生じていると判定された時に、電池から流れる電流を遮断する構成が開示されている。

特許文献４において、車両衝突検知時に電源遮断手段が作動し、電源下流側の導体を強制破断することにより、全車載電装品のうちの遮断電装品のみが電源から遮断され、遮断電装品に対する電力供給のみが遮断される一方、非遮断電装品への電力供給は維持される構成が開示されている。

特許文献５において、電源と車両搭載装置とを電気的に接続する主電源ラインと、主電源ラインの周囲或いは絶縁層を介して配設され主電源ラインに比べて電流容量が小さい小電流用電源ラインと、小電流用電源ライン上に設けられ小電流用電源ラインに異常電流が流れると接続を遮断する第１の接続遮断手段と、主電源ライン上に設けられ第１の接続遮断手段が接続状態から遮断状態に切り換わるとこれに連動して接続状態から遮断状態に切り換わる第２の接続遮断手段とを備える構成が開示されている。これにより、主電源ラインに障害が生じる前に、電源と車両搭載装置との接続が遮断され、主電源ラインを介して電源から障害箇所に過剰電流が流れることを回避できるとされている。

特開２００１−０２５１５０号公報 特開平７−０８７６０８号公報 特開平６−３２１０２７号公報 特開平１０−３１０００４号公報 特開平１０−３２２８８０号公報

通常、回路遮断器には、トランジスタ等から構成される半導体スイッチが多く用いられる。このような半導体スイッチは、サイズ、重量、コスト等の面でメリットがあるが、ＯＮモード時に故障する可能性が高い等、信頼性に乏しいという問題がある。このような信頼性の不備を補うために、例えば半導体スイッチを直列に複数接続する等の対処がなされるが、半導体スイッチは、過電圧、過電流等により同時故障を起こす場合がある。

このような問題を解決するために、コンタクタを利用する場合がある。一般的に、コンタクタを利用することにより、スイッチの信頼性を向上させることができるが、サイズ、重量、コスト、組み付け性等の面で問題が生ずる場合が多い。また、コンタクタを利用する場合であって、直流電流を遮断する場合には、アーク放電等に対処するために、コンタクタのサイズを大きくしなければならないという問題がある。このような問題は、例えば人に装着したり、人の近くで利用したり、ホームユースであるロボット等に搭載される場合に、大きな障害となる。

そこで、本発明は、サイズ、重量、コスト等を増大させることなく、あらゆる異常に対処して確実に回路を遮断することができる回路遮断器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る回路遮断器は、電源と負荷とを接続する配線の接続状態を切り替える電源スイッチと、前記電源から前記負荷への電力供給を行う場合に、駆動電流を出力する駆動電流出力回路と、前記駆動電流が出力された場合に、前記電源スイッチを接続状態にし、前記駆動電流が出力されない場合に、前記電源スイッチを切断状態にする第１のリレー回路と、前記電源のプラス端子と前記負荷とを接続する配線上に設置されるプラス側ヒューズと、前記電源のマイナス端子と前記負荷とを接続する配線上に設置されるマイナス側ヒューズと、前記駆動電流が出力された場合に、前記電源、前記電源スイッチ、前記プラス側ヒューズ、及び前記マイナス側ヒューズが接続されてなる検査回路を開放状態にし、前記駆動電流が出力されない場合に、前記検査回路を閉鎖状態にする第２のリレー回路とを備えるものである。

上記構成によれば、駆動電流出力回路から駆動電流が出力されると、第１のリレー回路により電源スイッチが接続状態（ＯＮ）となり、負荷への電力供給が行われる。この電力供給時に過電流等の異常が発生すれば、プラス側ヒューズ又はマイナス側ヒューズの溶断により、回路が遮断される。また、駆動電流の出力時（電力供給の実行時）には、第２のリレー回路により、電源、電源スイッチ、プラス側ヒューズ、及びマイナス側ヒューズが接続されて（負荷をバイパスするように）構成される検査回路が開放（非接続）状態となる。そして、駆動電流の出力が停止すると、第１のリレー回路により、電源スイッチが切断状態（ＯＦＦ）となり、負荷への電力供給が停止されると共に、第２のリレー回路により、検査回路が閉鎖（接続）状態となる。この時、正常な状態であれば、電源スイッチがＯＦＦとなり、電源からの電流は検査回路を流れない。一方、異常がある場合、例えば電源スイッチの短絡、プラス側ヒューズの短絡等が発生した場合には、たとえ電源スイッチがＯＦＦの状態になっていても、電源からの電流が検査回路を流れこととなり、プラス側ヒューズ又はマイナス側ヒューズが溶断し、回路が遮断する。また、本発明の構成においては、電源のプラス側及びマイナス側の両方にヒューズが設置されていることにより、例えば一方のヒューズを短絡する不具合が生じた場合でも、確実に回路を遮断することができる。

また、前記駆動電流出力回路は、前記第１のリレー回路及び前記第２のリレー回路の一部を構成するコイルと接続し、前記駆動電流を出力する小電源と、前記小電源からの前記駆動電流の出力を制御する駆動電流制御回路と、前記小電源と前記コイルとの接続配線上に設置され、前記駆動電流の伝導を強制的に遮断可能な非常停止スイッチとを備えることが好ましい。

この構成によれば、非常停止スイッチを手動、又は所定の制御システムにより操作することにより、駆動電流制御回路による制御に関わらず、駆動電流の出力を停止し、第２のリレー回路により検査回路を閉鎖状態にすることができる。

また、前記負荷への電力供給の非実行時に、前記第２のリレー回路の接点に電流が流れるか否かを検査する故障検査回路を備えることが好ましい。

このように、第２のリレー回路の接点を検査することにより、負荷への電力供給の非実行時における遮断機能の信頼性を向上させることができる。

また、前記第１のリレー回路、前記第２のリレー回路の両方、又はどちらか一方を複数備えてもよい。

第１又は第２のリレー回路の故障に備え、これらを複数備えることにより、回路遮断器の信頼性を向上させることができる。このように、本発明においては、信頼性を向上させるための冗長化をリレー回路の増設のみにより実現することができる。

また、前記プラス側ヒューズの通電方向上流側に、抵抗器やチョッパ回路を備えて構成される突入電流防止回路が備えられていることが好ましい。

これにより、電源スイッチの投入時に発生する突入電流によるヒューズの溶断を防止することができる。

上記のように、本発明によれば、電源スイッチ、プラス側ヒューズ等に短絡等の異常が生じた場合であっても、確実に回路を遮断することが可能となる。これにより、電源スイッチとして半導体スイッチを利用しても、十分な信頼性を確保することができる。そして、サイズ、重量、コスト等を増大させることなく、あらゆる異常に対処して確実に回路を遮断することができる回路遮断器を提供することができる。

本発明の実施の形態１に係る回路遮断器の構成を示す回路図である。 本発明の実施の形態２に係る回路遮断器の構成を示す回路図である。 本発明の実施の形態３に係る回路遮断器の構成を示す回路図である。 本発明の実施の形態４に係る回路遮断器の構成を示す回路図である。

以下に、添付した図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。尚、異なる実施の形態において、同一又は同様の作用効果を奏する箇所については同一の符号を付してその説明を省略する。

実施の形態１
図１は、実施の形態１に係る回路遮断器１の構成を示している。回路遮断器１は、電源２、負荷３、電源スイッチ４、駆動電流出力回路５、第１のリレー回路６、プラス側ヒューズ７、マイナス側ヒューズ８、検査回路９、第２のリレー回路１０、故障検査回路１１を備える。

電源２は、モータ等の負荷３を駆動するための電力を供給するものであり、例えば車載バッテリ等である。

電源スイッチ４は、電源２と負荷３とを接続する配線上に設置され、この配線の接続状態を切り替えるものである。本実施の形態における電源スイッチ４は、トランジスタ１２及び回生電流用ダイオード１３により構成されている。

駆動電流出力回路５は、電源２から負荷３へ電力供給を行う場合に、駆動電流を出力するものである。この駆動電流は、後述するリレー回路６，１０を駆動するための電流であり、電源２に比べて十分小さい電流である。本実施の形態における駆動電流出力回路５は、小電源１５、駆動電流制御回路１６、及び非常停止スイッチ１７を備えている。小電源１５は、リレー回路６，１０の一部を構成するコイル２０と接続している。駆動電流制御回路１６は、小電源１５からの駆動電流の出力を制御するものであり、各種論理回路の組み合わせからなるハードウェア構成、又はマイクロコンピュータと制御プログラムとの協働によりなるソフトウェア構成を用いて構成される。非常停止スイッチ１７は、小電源１５とコイル２０とを接続する配線上に設置され、駆動電流の伝導を強制的に遮断可能なものである。

第１のリレー回路６は、駆動電流出力回路５から駆動電流が出力された場合に、電源スイッチ４を接続状態（ＯＮ）にし、駆動電流が出力されない場合に、電源スイッチ４を切断状態（ＯＦＦ）にするものである。本実施の形態における第１のリレー回路６は、コイル２０及びＡ(Arbeit)接点２１を備えている。コイル２０は、駆動電流出力回路５と接続している。Ａ接点２１は、負荷３とマイナス側ヒューズ８との間の配線と、トランジスタ１２のベースとに接続している。

プラス側ヒューズ７は、電源２のプラス端子と負荷３とを接続する配線上に設置され、所定値以上の電流が流れた場合に溶断する周知のものである。

マイナス側ヒューズ８は、電源２のマイナス端子と負荷３とを接続する配線上に設置され、所定値以上の電流が流れた場合に溶断する周知のものである。

検査回路９は、電源２、電源スイッチ４、プラス側ヒューズ７、及びマイナス側ヒューズ８が接続されてなる回路であり、負荷３をバイパスする電気経路を構成するものである。

第２のリレー回路１０は、駆動電流に応じて検査回路９の接続を開閉するものであり、本実施の形態においては、コイル２０及びＢ(Break)接点２２を備えて構成される。Ｂ接点２２は、駆動電流がコイル２０に入力された場合に、検査回路９を開放（非接続）状態にし、駆動電流がコイル２０に入力されない場合に、検査回路９を閉鎖（接続）状態にする。また、Ｂ接点２２は、プラス側ヒューズ７と負荷３との間の配線と、負荷３とマイナス側ヒューズ８との間の配線とに接続している。

故障検査回路１１は、負荷３への電力供給の非実行時（駆動電流の非出力時、Ｂ接点２２の接続時）に、Ｂ接点２２に電流が流れるか否かを検査するものである。本実施の形態における故障検査回路１１は、検査電流印加回路２５及び電流検出回路２６を備えている。検査電流出力回路２５は、負荷３への電力供給の非実行時であって、Ｂ接点２２の検査を実行する際に、Ｂ接点２２が接続される配線上に検査用の電流を出力する回路である。電流検出回路２６は、Ｂ接点２２と直列に接続され、この検査用の電流を検出する回路である。

上記構成の回路遮断器１において、負荷３への電力供給をＯＦＦからＯＮへ切り替える際の動作を説明する。先ず、駆動電流制御回路１６による電力供給開始指令、又は非常停止スイッチ１７の解除により、小電源１５からの駆動電流がコイル２０に流れる。これにより、Ａ接点２１が閉じ、電源スイッチ４がＯＮとなり、負荷３への電力供給が行われ、Ｂ接点２２が開き、検査回路９が開放状態となる。

次に、負荷３への電力供給をＯＮからＯＦＦへ切り替える際の動作を説明する。先ず、駆動電流制御回路１６による電力供給停止指令、又は非常停止スイッチ１７の作動により、コイル２０への駆動電流の供給が遮断される。これにより、Ａ接点２１が開き、電源スイッチ４がＯＦＦとなり、負荷３への電力供給が停止し、Ｂ接点２２が閉じ、検査回路９が閉鎖状態となる。

次に、図１中矢印Ａで示すように、電源スイッチ４を短絡する故障が発生した場合の動作を説明する。駆動電流制御回路１６又は非常停止スイッチ１７の作用により、コイル２０への駆動電流の供給が停止すると、Ａ接点２１が開き、Ｂ接点２２が閉じ、検査回路９が閉鎖状態となる。この時、電源スイッチ４が短絡されるため、電源２からの電流は検査回路９を流れる。これにより、プラス側ヒューズ７、マイナス側ヒューズ８に過電流が流れ、これらのどちらか一方又は両方が溶断する。

次に、図１中矢印Ｂで示すように、電源スイッチ４及びプラス側ヒューズ７の両方を短絡する故障が発生した場合の動作を説明する。駆動電源制御回路１６又は非常停止スイッチ１７の作用により、コイル２０への駆動電流の供給が停止すると、Ａ接点２１が開き、Ｂ接点２２が閉じ、検査回路９が閉鎖状態となる。この時、電源スイッチ４及びプラス側ヒューズ７が短絡されるため、電源２からの電流は、検査回路９中のマイナス側ヒューズ８に流れ込み、これを溶断する。

次に、故障検査回路１１によりＢ接点２２の故障を検出する際の動作を説明する。この故障検査動作は、駆動電流制御回路１６又は非常停止スイッチ１７の作用により、駆動電流の出力が停止（負荷３への電力供給が停止）している状態で行われる。この状態においては、コイル２０に駆動電流が入力されないため、正常時においてはＢ接点２２が閉じる。この状態において、検査電流出力回路２５が、電源２のプラス側配線に所定の電流値の電流を流し、Ｂ接点２２と直列に接続された電流検出回路２６が、この電流を検出する。電流検出回路２６が電流を検出できない場合には、Ｂ接点２２に電流が流れていないこととなり、Ｂ接点２２（第２のリレー回路１０）が故障していると判断される。この故障の判断に基づいて、装置の起動禁止、ユーザへの警告等の処置を施すことができる。

上記のように、本実施の形態に係る回路遮断器１によれば、駆動電流出力回路５から駆動電流が出力されると、第１のリレー回路６により電源スイッチ４が接続状態となり、負荷３への電力供給が行われる。この電力供給時に過電流等の異常が発生すれば、プラス側ヒューズ７又はマイナス側ヒューズ８の溶断により、回路が遮断される。また、駆動電流の出力時（負荷３への電力供給時）には、第２のリレー回路１０により、検査回路９が開放（非接続）状態となる。そして、駆動電流の出力が停止すると、第１のリレー回路６により、電源スイッチ４が切断状態（ＯＦＦ）となり、負荷３への電力供給が停止されると共に、第２のリレー回路１０により、検査回路９が閉鎖（接続）状態となる。この時、正常な状態であれば、電源スイッチ４がＯＦＦとなり、電源２からの電流は検査回路９を流れない。一方、異常がある場合、例えば図１中矢印Ａで示すような電源スイッチ４の短絡や、矢印Ｂで示すような電源スイッチ４及びプラス側ヒューズ８の短絡が発生した場合には、電源２からの電流が検査回路９を流れ、プラス側ヒューズ７又はマイナス側ヒューズ８が溶断し、回路が遮断する。また、本発明の構成においては、電源２のプラス側及びマイナス側の両方にヒューズ７，８が設置されていることにより、例えば矢印Ｂで示すような一方のヒューズを短絡する不具合が生じた場合でも、他方のヒューズが溶断し、確実に回路を遮断することができる。

また、駆動電流出力回路５を構成する非常停止スイッチを手動、又は所定の制御システムにより操作することにより、駆動電流制御回路１６による制御に関わらず、駆動電流の出力を停止し、第２のリレー回路１０により検査回路９を閉鎖状態にすることができる。

更に、負荷３への電力供給の非実行時に、故障検査回路１１により、第２のリレー回路１０のＢ接点２２の接続状態を検査することができる。これにより、回路保護機能に対する信頼性を向上させることができる。

実施の形態２
図２は、実施の形態２に係る回路遮断器３１の構成を示している。本実施の形態に係る回路遮断器３１は、上記実施の形態１に係る構成に比して、第１のリレー回路３６及び第２のリレー回路４０の冗長化が図られたものである。本実施の形態に係る第１のリレー回路３６は、互いに並列に配置された、複数のコイル５０−１，５０−２，・・，５０−ｎ、及び複数のＡ接点５１−１，５１−２，・・，５１−ｎを備えている。また、第２のリレー回路４０は、互いに並列に配置された、複数のコイル５０−１，５０−２，・・，５０−ｎ、及び複数のＢ接点５２−１，５２−２，・・，５２−ｎを備えている。

これにより、第１又は第２のリレー回路３６，４０の幾つかが故障しても、上述したような回路遮断機能を発揮することができるので、回路保護機能に対する信頼性を大きく向上させることができる。

実施の形態３
図３は、実施の形態３に係る回路遮断器６１の構成を示している。本実施の形態に係る回路遮断器６１は、上記実施の形態１に係る構成に加え、突入電流防止回路６２を備えるものである。本実施の形態に係る突入電流防止回路６２は、スイッチ６５及び抵抗器６６を含んで構成される。

スイッチ６５及び抵抗器６６は、電源スイッチ４に対して並列に配置された配線６７上に、直列に配置されている。この配線６７の下流側の接点６８は、プラス側ヒューズ７の上流側に位置している。スイッチ６５は、負荷３への電流供給開始時、即ち電源スイッチ４のＯＮ時に閉じるように設計され、好ましくは所定時間経過後、若しくは突入電流の消滅確認後に開くように設計される。

これにより、突入電流によるヒューズ７，８の溶断を確実に防止することができ、回路保護機能に対する信頼性をより向上させることができる。

実施の形態４
図４は、実施の形態４に係る回路遮断器７１の構成を示している。本実施の形態に係る回路遮断器７１は、上記実施の形態１に係る構成に加え、突入電流防止回路７２を備えるものである。本実施の形態に係る突入電流防止回路７２は、チョークコイル７３、パルス幅変調（ＰＷＭ：Pulse Width Modulation）回路７４、フライホイーリングダイオード７５を含んで構成される。

チョークコイル７３は、高周波電流を遮断するものであって、トランジスタ１２のエミッタとプラス側ヒューズ７とに接続される。ＰＷＭ回路７４は、パルス幅を変調させて電流を制御するものであって、負荷３とマイナス側ヒューズ８との間と、Ａ接点２１とに接続される。フライホイーリングダイオード７５は、逆起電力による不具合を防止するものであって、マイナス側ヒューズ８と電源２との間と、トランジスタ１２のエミッタとに接続される。

上記突入電流防止回路７２は、所謂降圧チョッパ回路として動作する。即ち、トランジスタ１２を高速でＯＮ／ＯＦＦ切り替えし、ＯＮの時間の比率（通流率）αを制御することにより、チョークコイル７３の出力電圧（プラス側ヒューズ７及び負荷３にかかる電圧）Ｖoが制御される。この出力電圧Ｖoは、チョークコイル７３の入力部の平均電圧と略等しく、電源電圧＊αとなる。通流率αを０％〜１００％に徐々に上昇させていくことにより、出力電圧Ｖoを緩やかに上昇させることができる。通流率αは、ＰＷＭ回路７４により制御される。尚、ＰＷＭ回路７４によるスイッチング周波数を上げることにより、チョークコイル７３を小型化することができる。

これにより、突入電流によるヒューズ７，８の溶断を確実に防止することができ、回路保護機能に対する信頼性をより向上させることができる。

尚、本発明は、上記実施の形態に限られるものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能なものである。

１，３１，６１，７１ 回路遮断器
２ 電源
３ 負荷
４ 電源スイッチ
５ 駆動電流出力回路
６，３６ 第１のリレー回路
７ プラス側ヒューズ
８ マイナス側ヒューズ
９ 検査回路
１０，４０ 第２のリレー回路
１１ 故障検査回路
１２ トランジスタ
１５ 小電源
１６ 駆動電流制御回路
１７ 非常停止スイッチ
２０ コイル
２１，５１−１〜５１−ｎ Ａ接点
２２，５２−１〜５２−ｎ Ｂ接点
２５ 検査電流印加回路
２６，２６−１〜２６−ｎ 電流検出回路
６２，７２ 突入電流防止回路

Claims (7)

1. 電源と負荷とを接続する配線の接続状態を切り替える電源スイッチと、
   前記電源から前記負荷に電力供給を行う場合に、駆動電流を出力する駆動電流出力回路と、
   前記駆動電流が出力された場合に、前記電源スイッチを接続状態にし、前記駆動電流が出力されない場合に、前記電源スイッチを切断状態にする第１のリレー回路と、
   前記電源のプラス端子と前記負荷とを接続する配線上に設置されるプラス側ヒューズと、
   前記電源のマイナス端子と前記負荷とを接続する配線上に設置されるマイナス側ヒューズと、
   前記駆動電流が出力された場合に、前記電源、前記電源スイッチ、前記プラス側ヒューズ、及び前記マイナス側ヒューズが接続されてなる検査回路を開放状態にし、前記駆動電流が出力されない場合に、前記検査回路を閉鎖状態にする第２のリレー回路と、
   を備える回路遮断器。
2. 前記駆動電流出力回路は、
   前記第１のリレー回路及び前記第２のリレー回路の一部を構成するコイルと接続し、前記駆動電流を出力する小電源と、
   前記小電源からの前記駆動電流の出力を制御する駆動電流制御回路と、
   前記小電源と前記コイルとを接続する配線上に設置され、前記駆動電流の伝導を強制的に遮断可能な非常停止スイッチとを備える、
   請求項１に記載の回路遮断器。
3. 前記負荷への電力供給の非実行時に、前記第２のリレー回路の接点に電流が流れるか否かを検査する故障検査回路、
   を更に備える請求項１又は２に記載の回路遮断器。
4. 前記第１のリレー回路を複数備える、
   請求項１〜３のいずれか１つに記載の回路遮断器。
5. 前記第２のリレー回路を複数備える、
   請求項１〜４のいずれか１つに記載の回路遮断器。
6. 前記プラス側ヒューズの通電方向上流側に、抵抗器を備えて構成される突入電流防止回路を備える、
   請求項１〜５のいずれか１つに記載の回路遮断器。
7. 前記プラス側ヒューズの通電方向上流側に、チョッパ回路を備えて構成される突入電流防止回路を備える、
   請求項１〜５のいずれか１つに記載の経路遮断器。

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