JP7844082B2 - 接点監視装置 - Google Patents

Description

本発明は、接点監視装置に関するものである。

特許文献１に記載されているように、接続される機器の状態を監視するために用いられる接点監視装置が知られている。特許文献１に記載の技術では、機器の接点が開状態から閉状態に切り替わった場合、機器が閉状態になったという状態信号を中継基板が受けると、中継基板は、外部の通信ユニットへ信号を出力するような構造である。このような接点監視装置はバッテリ（乾電池）を使用して中継基板などに電源を供給する。

このような状態監視装置は、例えば、電気機器やセンサが動作したことを接点の開閉動作により検出するもので、接点の開状態から閉状態への状態を、中継基板に入力される信号のレベル（High/Low）により監視している。信号のレベルについては、バッテリから機械接点に負荷電流を流し接点の開閉が行われることで、バッテリとグランド間に電位差の変化が生じるため、その電位差の変化を状態信号として中継基板の入力部に入力し、その状態信号から外部に通知などを行っている。

特開２０２１－１９０４３４号公報

ところで、外部の電気機器に備えられている接点が機械接点であり、固定接点や可動接点の接触により閉状態と開状態を切り替える場合、接点がオフ位置から離れたり接触したりする際に接点間の電圧が高くなると、接点間にアークが生じる。このアークが繰り返されることによって、アークの堆積物として接点に酸化(硫化）被膜が生じる。この酸化（硫化）被膜は絶縁物で電気的な導通を阻害する虞があった。

接点に対して十分な電流や電圧を印加することで、酸化(硫化)被膜を除去する「クリーニング」を行うことで、電気的導通を図ることができるが、十分な電流・電圧を印加させる場合、乾電池などのバッテリの消費が激しいといった問題があった。

本件の発明者は、この点について鋭意検討することにより、解決を試みた。本発明が解決しようとする課題は、外部電気機器の接点状態を監視する接点監視装置において、外部電気機器の機械接点で酸化被膜が生じていても接点監視装置に装着されるバッテリを用いて通電できる状態にするとともに、バッテリを長く使用できるようにすることである。

上記課題を解決するため、接続される外部電気機器の機械接点や半導体接点の状態を監視するために用いられる接点監視装置であって、接点監視装置に電源を供給するとともに、外部電気機器の機械接点や半導体接点に電流を流すために用いられるバッテリを装着可能なバッテリ装着部と、バッテリから外部電気機器の機械接点に流される負荷電流を低減させることが可能な電流制限装置と、外部電気機器の機械接点が閉じたか否かを判定可能な信号が入力される中継基板と、を備え、前記中継基板は、入力された信号から、外部電気機器の機械接点が閉じたと判定できる場合に、電流制限装置を動作させるように出力し、前記中継基板からの出力をうけた電流制限装置は、バッテリから外部電気機器の機械接点に流す負荷電流を低減させるように動作する接点監視装置とする。

また、電流制限装置には、第一の抵抗と、第一の抵抗より高い抵抗となる第二の抵抗と、トランジスタを備え、第一の抵抗と第二の抵抗は直列となるように接続され、
トランジスタと第二の抵抗は並列となるように接続され、中継基板からの出力によりトランジスタに電圧を印加するか電流を流すことにより、第一の抵抗を流れる電流が主にトランジスタを通って機械接点に通電する状態から、第一の抵抗を流れる電流が主に第二の抵抗を通って機械接点に通電する状態に切り替えることが可能な構成とすることが好ましい。

また、トランジスタは、電圧を印加することで動作させる電界効果トランジスタであることが好ましい。

また、中継基板に複数の外部電気機器を接続可能な構成とすることが好ましい。

本発明では、外部電気機器の接点状態を監視する接点監視装置において、外部電気機器の機械接点で酸化被膜が生じていても接点監視装置に装着されるバッテリを用いて通電できる状態にするとともに、バッテリを長く使用できるようにすることが可能となる。

実施形態における接点監視装置の斜視図である。 図１に示す接点監視装置の分解斜視図である。ただし、バッテリが装着されている状態である。 図２に示すベースの側面図である。ただし、バッテリが装着されている状態である。 バッテリが装着された接点監視装置と、外部電気機器とが電線で接続された状態を示す図である。ただし、接点監視装置はカバーが外されている状態である。 実施形態における接点監視装置と、外部電気機器との関係を示す図である。 図５に示す機械接点が閉じた状態を示す図である。 実施形態における電流制限装置の構成を表す図である。 外部電気機器の接点が開いた状態から閉じた状態にすることで、電流の流れる経路が変化することを表す図である。 一つの接点監視装置に対して複数の外部電気機器を接続した例を示す図である。

以下に発明を実施するための形態を示す。本実施形態の接点監視装置１は、接続される外部電気機器８の機械接点８１や半導体接点の状態を監視するために用いられる。この接点監視装置１は、接点監視装置１に電源を供給するとともに、外部電気機器８の機械接点８１や半導体接点に電流を流すために用いられるバッテリＢａを装着可能なバッテリ装着部１１ａと、バッテリＢａから外部電気機器８の機械接点８１に流される負荷電流を低減させることが可能な電流制限装置２０と、外部電気機器８の機械接点８１が閉じたか否かを判定可能な信号が入力される中継基板３０と、を備えている。また、この中継基板３０は、入力された信号から、外部電気機器８の機械接点８１が閉じたと判定できる場合に、電流制限装置２０を動作させるように出力する。そして、中継基板３０からの出力をうけた電流制限装置２０は、バッテリＢａから外部電気機器８の機械接点８１に流す負荷電流を低減させるように動作する。このため、機械接点８１のクリーニングのために十分な電流を流し、電気的導通が行われた後、機械接点８１に流れる消費電流を低減できる。このため、外部電気機器８の接点状態を監視する接点監視装置１において、外部電気機器８の機械接点８１で酸化被膜が生じていても接点監視装置１に装着されるバッテリＢａを用いて通電できる状態にするとともに、バッテリＢａを長く使用できるようにすることが可能となる。

なお、接点監視装置１は、外部電気機器８の接点の開閉状態を検出するために用いられる。このため、外部電気機器８から出力される接点の開閉を検出可能な中継基板３０を備えている。また、実施形態の接点監視装置１は、バッテリＢａを電源とするものであるため、バッテリ装着部１１ａを備えている。バッテリ装着部１１ａに装着されるバッテリＢａは、内部に収納される中継基板３０の動作電源の供給や外部電気機器８の接点への通電を行うために用いられる。

なお、実施形態では接点監視装置１の内部にバッテリ装着部１１ａと中継基板３０が位置するように設けられている。図１及び図２に示すことから理解されるように、実施形態の接点監視装置１は、ベース１１とカバー１２を分けることができるように構成されており、バッテリＢａの取り付けや取り外しをする際にはカバー１２を取り外して作業が行われる。

図２に示す例では、ベース１１にバッテリ装着部１１ａと中継基板３０が設けられているが、中継基板３０にＬＥＤなどを備え、状況に応じてＬＥＤの光らせ方が異なるものとするのが好ましい。この場合、カバー１２を取り付けていてもＬＥＤの変化を把握できるようにするため、カバー１２の一部または全部が透明となるように構成するのが好ましい。

なお、実施形態の接点監視装置１では、カバー１２とベース１１の隙間を塞ぐようなパッキン１３が備えられている。このパッキン１３は環状となるように取り付けられ、パッキン１３で囲まれた部分に異物が侵入しにくいように構成されている。実施形態のパッキン１３は防水性能のあるパッキン１３であり、防塵性に加えて防水性も高められている。なお、実施形態では、パッキン１３はベース１１に備えられた溝に嵌るようにして取り付けられている。

実施形態の接点監視装置１は電線９１を介して外部電気機器８と接続できるようにするため、電線９１を導入可能な導入部１１ｂを備えている（図３及び図４参照）。この電線９１は中継基板３０に接続され、外部電気機器８と中継基板３０を電気的に接続される。なお、図４に示す例では、１つの外部電気機器８に接続する電線９１が導入部１１ｂから導入されているが、導入部１１ｂは複数の外部電気機器８の電線９１が導入されるものであっても良い。

ここで、実施形態の接点監視装置１を用いて外部電気機器８の接点を監視する方法の例について説明をする。接点監視装置１と外部電気機器８との間を電線９１でつなぐことにより、接点監視装置１から外部電気機器８に電気を流すことができるルートと、外部電気機器８から接点監視装置１に電気を流すことができるルートが設定される。

外部電気機器８の接点が開いた状態では、接点監視装置１から外部電気機器８に向けて流す電流が接点監視装置１に戻ってくることはない（図５参照）。一方、外部電気機器８の接点が閉じた状態では、接点監視装置１から外部電気機器８に向けて流す電流が接点監視装置１に戻ってくる（図６参照）。したがって、外部電気機器８の接点の開閉の違いにより、外部電気機器８に出力される部分と外部電気機器８から入力される部分、すなわちバッテリとグランド間に電位差が生じていることになる。

中継基板３０は、この電位差の変化を検出することができるようにしており、その検出結果より、外部電気機器８の接点が閉じているのか開いているのかを判定することができる。なお、実施形態では、電位差が所定値以上変化した際または所定値以上変化した後に、所定時間安定した電位差となったことを判定するチャタリング防止回路がマイコン内に形成されている。電位差が安定したことを確認した後で接点の開閉の判定を行うようにすれば、誤判定を抑制することができる。

ところで、電気機器の機械接点８１は、使用することによって酸化被膜が形成される。この酸化被膜を破って通電するためには、機械接点８１に十分な電流・電圧を印加すればよい。一方、通電後はそこまで大きな電流を流したりする必要はない。そこで、実施形態の接点監視装置１では、通電後に接点に流れる電流を低減させるようにしている。

このようなことを可能とするため、実施形態の接点監視装置１では、バッテリＢａの出力側に電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）及び複数の抵抗を備えた電流制限装置２０が設けられている（図７参照）。より詳しくは、バッテリＢａに対して直列となるように、第一の抵抗２１と第二の抵抗２２が直列接続されている。また、第二の抵抗２２をまたぐように電界効果トランジスタ２３のソース（Ｓ）とドレイン（Ｄ）が接続されている。これは、電界効果トランジスタ２３の動作制御をすることで、バッテリＢａから送られる電流が第二の抵抗２２を通過するかしないかを選択できるようにするためである。なお、第二の抵抗２２は第一の抵抗２１よりも大きい抵抗としている。

なお、本実施形態は、電流制限装置２０の構成として電界効果トランジスタを利用している。電界効果トランジスタはゲート（Ｇ）に電圧を印加させることで、ソース（Ｓ）とドレイン（Ｄ）間の導通を決定することができる。より具体的には、本実施形態ではＰチャネル型ＦＥＴを利用しており、ゲート（Ｇ）への電圧の印加の有無で主に第一の抵抗２１とトランジスタ２３を通過する第１の状態と、主に第一の抵抗２１と第二の抵抗２２を通過する第２の状態とを切り替えることができるようにしている。

なお、電界効果トランジスタの代わりとしてハイポーラトランジスタなども利用できる。その場合、電流を流すことによって、コレクタエミッタ間の導通の可否を選択することができる。しかし、電界効果トランジスタを動作させるためのバッテリＢａの消費電流の方が、ハイポーラトランジスタを動作させるためのバッテリＢａの消費電流よりも小さくすることができるため、電界効果トランジスタを用いる方が好ましい。

このようなことから理解されるように、電流制限装置２０には、第一の抵抗２１と、第一の抵抗２１より高い抵抗となる第二の抵抗２２と、トランジスタ２３を備え、第一の抵抗２１と第二の抵抗２２は直列となるように接続され、トランジスタ２３と第二の抵抗２２は並列となるように接続され、中継基板３０からの出力によりトランジスタ２３に電圧を印加するか電流を流すことにより、第一の抵抗２１を流れる電流が主にトランジスタ２３を通って機械接点８１に通電する状態から、第一の抵抗を流れる電流が主に第二の抵抗２２を通って機械接点８１に通電する状態に切り替えることが可能な構成とすることが好ましい。

トランジスタ２３に電界効果トランジスタを用いる構成とすると、例えば、次のような動きをさせることができる。電界効果トランジスタは通常、ソース（Ｓ）とドレイン（Ｄ）間が接続されているため、バッテリＢａから流れる電流は第一の抵抗２１を経由した後、主に第二の抵抗２２ではなくトランジスタ２３を経由する。このため図７に示すように、バッテリＢａの電圧を１．５Ｖ、第一の抵抗２１の抵抗値を１０Ω、第二の抵抗２２の抵抗値を１０００００Ωとした場合、通常、機械接点８１には１５０ｍＡの電流が流れる。

一方、電界効果トランジスタに電圧が印加されると、ソース（Ｓ）とドレイン（Ｄ）間に電流が流れなくなるため、バッテリＢａから流れる電流は主に第一の抵抗２１と第二の抵抗２２の双方を経由する。このため図７に示すように、バッテリＢａの電圧を１．５Ｖ、第一の抵抗２１の抵抗値を１０Ω、第二の抵抗２２の抵抗値を１０００００Ωとした場合、電界効果トランジスタに電圧が印加されると、機械接点８１には１５μＡの電流が流れる。

ここで、接点を開いている状態から閉じた状態とした結果、電流の流れる経路が変更になるまでの流れについて説明をする。図８の（１）に示すことから理解されるように、外部電気機器８の接点が開いている状態では、接点監視装置１のバッテリＢａから外部電気機器８に電流が流されることはない。しかし、外部電気機器８の接点が閉じたら主に第二の抵抗２２を経由しないルートで電流が流れるように待機している。

図８の（２）に示すことから理解されるように、外部電気機器８の機械接点８１が閉じた直後は、待機していたルートで電流が流れるため、比較的大きめな電流を流すことができ、機械接点８１をクリーニングすることができる。その後、機械接点８１を閉じたことにより生じた電位差の変化を継続して検出したら、中継基板３０から電界効果トランジスタに電圧を印加する（図８の（３）参照）。電界効果トランジスタへの電圧の印加により、電界効果トランジスタを動かし、主に第二の抵抗２２を経由するルートで電流が流れるようにする（図８の（４）参照）。これにより機械接点８１に流れる電流値を低下させることができる。

ここまでは、一つの接点監視装置１に対して一つの外部電気機器８を接続した例を説明しているが、一つの接点監視装置１に対して複数の外部電気機器８を接続しても良い。図９に示す例では、四つの外部電気機器８を接続している。なお、図９では接点監視装置１が四つのバッテリＢａを備えているように見えるが、実際は一つのバッテリＢａである。一つのバッテリＢａから複数の外部電気機器８の接点に電流を流す構成とする場合、より一層、流す電流の制限は重要である。つまり、中継基板３０に複数の外部電気機器８を接続可能な構成とするのは、より好ましい構成になるといえる。

以上、実施形態を例に挙げて本発明について説明してきたが、本発明は上記実施形態に限定されることはなく、各種の態様とすることが可能である。例えば、バッテリは、直列接続で複数個装着されるものとしても良い。また、多数の外部電気機器を接続する構成とする場合は、バッテリを装着する個所によって、そのバッテリが電気を供給できる外部電気機器が異なるようにすることも可能である。

１ 接点監視装置
８ 外部電気機器
１１ａ バッテリ装着部
２０ 電流制限装置
２１ 第一の抵抗
２２ 第二の抵抗
２３ トランジスタ
３０ 中継基板
８１ 機械接点

Claims (4)

1. 接続される外部電気機器の機械接点の状態を監視するために用いられる接点監視装置であって、
   接点監視装置に電源を供給するとともに、外部電気機器の機械接点に電流を流すために用いられるバッテリを装着可能なバッテリ装着部と、
   バッテリから外部電気機器の機械接点に流される負荷電流を低減させることが可能な電流制限装置と、
   外部電気機器の機械接点が閉じたか否かを判定可能な信号が入力される中継基板と、
   を備え、
   前記中継基板は、入力された信号から外部電気機器の機械接点が閉じたと判定できる場合であって、前記機械接点が閉じた直後に前記機械接点の酸化被膜を除去するために十分な電流を流した後に、電流制限装置を動作させるように出力し、
   前記中継基板からの出力をうけた電流制限装置は、バッテリから外部電気機器の機械接点に流す負荷電流を低減させるように動作する接点監視装置。
2. 電流制限装置には、第一の抵抗と、第一の抵抗より高い抵抗となる第二の抵抗と、トランジスタを備え、
   第一の抵抗と第二の抵抗は直列となるように接続され、
   トランジスタと第二の抵抗は並列となるように接続され、
   中継基板からの出力によりトランジスタに電圧を印加するか電流を流すことにより、
   第一の抵抗を流れる電流が主にトランジスタを通って機械接点に通電する状態から、
   第一の抵抗を流れる電流が主に第二の抵抗を通って機械接点に通電する状態に切り替えることが可能な請求項１に記載の接点監視装置。
3. トランジスタは、電圧を印加することで動作させる電界効果トランジスタである請求項２に記載の接点監視装置。
4. 中継基板に複数の外部電気機器を接続可能な請求項１から３の何れかに記載の接点監視装置。