JP2007087882A - 電磁スイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】振動や温度等の影響を受けることなく、確実に接点バウンスを抑制できる電磁スイッチ１を提供する。
【解決手段】本発明の電磁スイッチ１は、接点衝突時の可動接点３の撓み剛性を１０００Ｎ／ｍｍ以下とし、且つ可動接点３と一組の固定接点２との当接位置が両固定接点２の最外部に設定されている。可動接点３の撓み剛性を低くすると、理論上は撓み剛性の平方根に比例して接点衝突時の衝撃荷重が低減する。これにより、接点衝突時の可動接点３に作用する衝撃反力が小さくなるため、接点バウンスの発生が抑制される。その結果、アーク放電の発生による接点消耗を抑制でき、接点寿命の向上が図れると同時に、接点溶着の可能性を確実に回避できる。また、可動接点３と一組の固定接点２との当接位置を両固定接点２の最外部に設定することで、可動接点３のスパンを長く取ることができるため、接点衝突時の可動接点３の撓み剛性を小さくすることに貢献する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気回路に設けられる接点をオン／オフ操作する電磁スイッチに関する。

従来、スタータのモータ回路に設けられるメイン接点を開閉操作する電磁スイッチが知られている。この電磁スイッチは、モータ回路に接続される一組の固定接点と、この一組の固定接点間を断続する可動接点と、電磁石の吸引力を利用して可動接点を駆動するソレノイドとを有し、可動接点が一組の固定接点に当接して両固定接点間を導通することでメイン接点が閉状態となり、可動接点が一組の固定接点から離れて両固定接点間の導通を遮断することでメイン接点が開状態となる。

上記の電磁スイッチでは、可動接点が固定接点に衝突した時に、衝突時の反力によって可動接点が動作方向と反対方向に弾み、安定に接触するまでに数回の衝突、いわゆる接点バウンスを生じる。その結果、大電流のアーク放電により接点金属が消耗して接点寿命が短くなる等の問題が生じ、最悪の場合、接点溶着を起こす可能性もある。
この接点バウンスを抑制する従来技術として、例えば、特許文献１では、エアダンパ効果によりプランジャの吸引動作をゆっくり行わせて、可動接点が固定接点に衝突する時の衝撃力を緩和する方法が示されている。
また、特許文献２では、可動接点の重心を偏心させ、更に、接点スプリングを可動接点の重心と反対側に偏心させることで、可動接点のバウンスを抑制する方法が開示されている。
特開２００１−１０７８２８号公報 特開平０９−１６１３９号公報

ところが、上記の特許文献１に記載された公知技術は、例えば、温度変化によってエアダンパ効果にばらつきが生じるため、安定したエアダンパ効果を得ることができない。
一方、特許文献２に記載された公知技術は、可動接点の重心と接点スプリングの位置を互いに偏心させているため、例えば、自動車への搭載によって大きな振動を受けると、可動接点及び接点スプリングの挙動が不安定になり、安定して接点バウンスを抑制することは困難である。
このため、両文献１、２共に、温度変化が大きく且つ高振動が発生する自動車への搭載には不向きである。
本発明は、上記事情に基づいて成されたもので、その目的は、振動や温度等の影響を受けることなく、確実に接点バウンスを抑制できる電磁スイッチを提供することにある。

（請求項１の発明）
電気回路に設けられる一組の固定接点と、この一組の固定接点間を断続する可動接点と、電磁石の吸引力を利用して可動接点を駆動するソレノイドと、可動接点がソレノイドに駆動されて一組の固定接点に衝突した後、可動接点と一組の固定接点との間に接点圧を付与する接点スプリングとを備える電磁スイッチにおいて、可動接点がソレノイドに駆動されて一組の固定接点に衝突した時に生じる可動接点の撓み剛性を１０００Ｎ／ｍｍ以下としたことを特徴とする。

可動接点が固定接点に衝突した時の撓み剛性が大きい（可動接点が撓み難い）と、可動接点の撓み剛性が小さい場合と比較して、衝突時の可動接点に作用する衝撃荷重が大きくなり、可動接点が弾み易くなるため、接点バウンスの発生頻度が多くなる。
そこで、固定接点に衝突した時の可動接点の撓み剛性と接点バウンスの発生頻度との関係を実験により求めると、可動接点が固定接点に衝突する時の速度を秒速１．５ｍ（自動車用スタータに使用される一般的な電磁スイッチの一例である）に想定した場合に、固定接点に衝突した時の可動接点の撓み剛性が１０００Ｎ／ｍｍ以下では、接点バウンスの発生を回避できる結果が得られた（図３参照）。但し、可動接点が固定接点に衝突する時の速度にバラツキが生じることを考慮すると、固定接点に衝突した時の可動接点の撓み剛性を８００Ｎ／ｍｍ以下まで小さくすることが望ましい。
本発明の構成では、温度や振動等の影響によって可動接点の撓み剛性が大きく変化することはないので、確実に接点バウンスの発生を抑制できる。

（請求項２の発明）
請求項１に記載した電磁スイッチにおいて、可動接点がソレノイドに駆動されて一組の固定接点に衝突した時に可動接点に付与される接点スプリングの圧縮荷重をＦ１とし、可動接点がソレノイドに駆動されて一組の固定接点に衝突した時に可動接点に作用する衝突時の反力（可動接点を一組の固定接点から離す方向に働く力）をＰ１とした時に、
Ｆ１≧Ｐ１……………………（１）
上記（１）の関係が成立することを特徴とする。
可動接点が固定接点に衝突すると、その衝突時の反力が可動接点を戻す方向（ソレノイドによって駆動される動作方向と反対方向）に働く。これに対し、本発明では、衝突時の反力Ｐ１によって可動接点が戻ろうとする動き（ソレノイドによって駆動される動作方向と反対方向の動き）を、接点スプリングの圧縮荷重Ｆ１によって押さえ込むことができるので、より確実に接点バウンスの発生を抑制できる。

（請求項３の発明）
請求項１に記載した電磁スイッチにおいて、電磁石の吸引力によりプランジャが吸引されて可動接点が一組の固定接点に衝突した後、更に吸引されてプランジャが鉄心に衝突した時に可動接点に付与される接点スプリングの圧縮荷重をＦ２とし、電磁石の吸引力によりプランジャが吸引されて鉄心に衝突した時に可動接点に作用する衝突時の反力（可動接点を一組の固定接点から離す方向に働く力）をＰ２とした時に、
Ｆ２≧Ｐ２……………………（２）
上記（２）の関係が成立することを特徴とする。
可動接点が固定接点に当接した後、接点スプリングを押し縮めながらプランジャが鉄心に衝突すると、その衝突時の反力が可動接点と固定接点との当接部に伝達され、可動接点を戻す方向（ソレノイドによって駆動される動作方向と反対方向）に働く。これに対し、本発明では、衝突時の反力Ｐ２によって可動接点が戻ろうとする動き（ソレノイドによって駆動される動作方向と反対方向の動き）を、接点スプリングの圧縮荷重Ｆ２によって押さえ込むことができるので、より確実に接点バウンスの発生を抑制できる。

（請求項４の発明）
請求項１〜３に記載した何れかの電磁スイッチにおいて、可動接点と一組の固定接点との当接位置を、固定接点の最外部としたことを特徴とする。
本発明によれば、可動接点と固定接点との接触面積を大きく確保できるため、接点摩耗を抑制でき、接点の寿命向上に寄与する。また、可動接点と固定接点との当接位置が、より外側にある程、可動接点のスパンを長く取ることができるため、可動接点が一組の固定接点に衝突した時の撓み剛性を小さくすることに貢献する。

（請求項５の発明）
請求項１〜４に記載した何れかの電磁スイッチは、エンジンの始動を行うスタータのモータ回路に設けられたメイン接点を開閉操作するものであり、可動接点が一組の固定接点に当接して両固定接点間を導通することでメイン接点が閉状態となり、可動接点が一組の固定接点から離れて両固定接点間の導通を遮断することでメイン接点が開状態となることを特徴とする。
自動車に搭載される電磁スイッチは、エンジンルーム内の過酷な温度環境に晒されるだけでなく、エンジン振動や走行時の振動を受けるが、本発明によれば、温度や振動等の影響によって可動接点の撓み剛性が大きく変化することはないので、スタータ用電磁スイッチとして用いた場合でも、確実に接点バウンスの発生を抑制できる。

本発明を実施するための最良の形態を以下の実施例により詳細に説明する。

図１は実施例１に係る電磁スイッチ１の断面図である。
実施例１に係る電磁スイッチ１は、スタータのモータ回路（図示せず）に設けられるメイン接点を開閉操作するもので、そのメイン接点を構成する一組の固定接点２と可動接点３、及び電磁石の吸引力を利用して可動接点３を駆動するソレノイド４とで構成される。 ソレノイド４は、カップ形状のスイッチヨーク５と、ボビン６に巻線されてスイッチヨーク５の内部に収容される励磁コイル７と、この励磁コイル７への通電によって磁化される鉄心８と、ボビン６の内側にスリーブ９を介して挿入されるプランジャ１０と、このプランジャ１０の動きを可動接点３に伝えるシャフト１１等より構成される。

スイッチヨーク５は、ソレノイド４の外枠（ケース）を形成すると共に、鉄心８と協働して励磁コイル７の周囲に磁気回路（固定磁路）を形成している。
励磁コイル７は、プランジャ１０を吸引するための磁力を発生する吸引コイル７ａと、吸引されたプランジャ１０を保持するための磁力を発生する保持コイル７ｂとで構成され、ボビン６に二層状態で巻線されている。
鉄心８は、スイッチヨーク５の開口部側に配置されるリング状の外側鉄心８ａと、この外側鉄心８ａの内周に配置される内側鉄心８ｂとで構成される。

プランジャ１０は、スリーブ９の内側に内側鉄心８ｂと対向して配置され、その内側鉄心８ｂとの間に配置されるリターンスプリング１２によって反鉄心方向（図１の左方向）に付勢され、内側鉄心８ｂとの間に所定のギャップが保たれている。
このプランジャ１０には、反鉄心側に凹部が形成され、この凹部にレバー駆動用ロッド１３とレバースプリング１４が挿入されている。
レバー駆動用ロッド１３は、凹部から突き出る一方の端部に係合溝１３ａが形成され、この係合溝１３ａにシフトレバー（図示せず）の端部が係合する。
レバースプリング１４は、レバー駆動用ロッド１３の周囲に挿入され、プランジャ１０の反鉄心側端部に係止されるカラー１５と、レバー駆動用ロッド１３の他方の端部に設けられたつば部１３ｂとの間に配置されて、レバー駆動用ロッド１３のつば部１３ｂをプランジャ１０の凹部底面に押し付けている。

シャフト１１は、一方の端部にフランジ部１１ａが設けられ、このフランジ部１１ａがプランジャ１０の端面に固定されて、プランジャ１０と一体に可動する。シャフト１１の他方の端部は、リング形状に設けられた内側鉄心８ｂの中空孔を挿通して、メイン接点が配置される接点室１６まで入り込んでいる。
一組の固定接点２は、２本の端子ボルト１７、１８を介してモータ回路に接続され、その２本の端子ボルト１７、１８が固定される接点カバー１９の内側（接点室１６）に配置される。この一組の固定接点２は、可動接点３との当接位置が両固定接点２のそれぞれ最外部に設定されている。
接点カバー１９は、例えば、樹脂成型品であり、鉄心８の外側にゴムパッキン２０を挟んで配置され、スイッチヨーク５にかしめ固定されている。

可動接点３は、インシュレータ２１を介してシャフト１１の外周に軸方向に移動可能な状態で支持され、且つシャフト１１の外周に配置される接点スプリング２２の荷重を受けてシャフト１１の先端側（図示右側）へ付勢されている。シャフト１１の先端部には、ストッパ部材（例えばワッシャ）２３が取り付けられ、可動接点３のシャフト先端側への移動を規制している。なお、可動接点３と一組の固定接点２との間に確保される接点間ギャップは、プランジャ１０と内側鉄心８ｂとの間に確保されるギャップより小さく設定されている。

この可動接点３は、ソレノイド４に駆動されて一組の固定接点２に衝突した時（接点衝突時と呼ぶ）に、可動接点３の撓み剛性が１０００Ｎ／ｍｍ以下となる様に設けられている。なお、接点衝突時の可動接点３の撓み剛性は、図２に示す様に、可動接点３の撓みＸと、可動接点３に加わる押付荷重Ｆとで、以下の数式（１）より求めることができる。

次に、電磁スイッチ１の作動を説明する。
図示しないＩＧキーの投入あるいは始動ボタンのオン操作により励磁コイル７に通電されると、電磁石が形成されて鉄心８が磁化されるため、内側鉄心８ｂとプランジャ１０との間に吸引力が作用して、プランジャ１０がリターンスプリング１２を押し縮めながら鉄心８側へ移動する。このプランジャ１０の移動により、プランジャ１０に固定されたシャフト１１が押し出され、シャフト１１の端部に支持された可動接点３が一組の固定接点２に当接する。その後、プランジャ１０は、接点スプリング２２を押し縮めながら更に移動して、内側鉄心８ｂの端面に衝突して停止する。

これにより、接点スプリング２２の圧縮荷重が可動接点３に付与され、その可動接点３が一組の固定接点２に押し付けられることで、メイン接点が閉状態となり、バッテリからスタータモータへ給電される。
エンジン始動後、励磁コイル７への通電が停止されて電磁石の吸引力が消滅すると、リターンスプリング１２の反力でプランジャ１０が反鉄心方向へ押し戻されるため、可動接点３が一組の固定接点２から離れて、メイン接点が開状態となり、スタータモータへの給電が停止される。

（実施例１の作用及び効果）
本実施例の電磁スイッチ１は、接点衝突時の可動接点３の撓み剛性を１０００Ｎ／ｍｍ以下に規定している。この可動接点３の撓み剛性を低くすると、理論上は撓み剛性の平方根に比例して接点衝突時の衝撃荷重が低減することが知られている。衝撃荷重が低減すると、必然的に接点衝突時の可動接点３に作用する衝撃反力が小さくなるため、接点バウンスの発生が抑制される。
実験データによれば、図３に示す様に、可動接点３が固定接点２に衝突する時の速度（以下、可動接点当接速度と呼ぶ）を秒速１．５ｍに想定した場合に、可動接点３の撓み剛性を１０００Ｎ／ｍｍ以下にすると、接点バウンスの発生を回避できる結果（接点バウンスの発生回数＝０）が得られた。

但し、可動接点当接速度が２ｍ／ｓになると、接点衝突時の可動接点３の撓み剛性が１０００Ｎ／ｍｍの時に数％程度の割合で接点バウンスが発生する。この可動接点当接速度（２ｍ／ｓ）で接点バウンスを完全に回避するためには、接点衝突時の可動接点３の撓み剛性を８００Ｎ／ｍｍ以下まで小さくする必要がある。即ち、可動接点当接速度が大きくなる程、接点バウンスの発生頻度が高くなる。
しかし、自動車用スタータに用いられる一般的な電磁スイッチ１は、可動接点当接速度が１〜２ｍ／ｓの範囲で使用されることが多いので、望ましくは、接点衝突時の可動接点３の撓み剛性を８００Ｎ／ｍｍ以下とすることで、接点バウンスの発生を略回避できる。 更に、可動接点当接速度にバラツキが生じることを考慮すると、接点衝突時の可動接点３の撓み剛性を６５０Ｎ／ｍｍまで低くすれば、可動接点当接速度が２ｍ／ｓであっても、接点バウンスの発生を完全に回避できる。

上記の様に、実施例１に記載した電磁スイッチ１は、接点衝突時の可動接点３の撓み剛性を１０００Ｎ／ｍｍ以下としたことにより、接点バウンスの発生を抑制できるため、アーク放電の発生による接点消耗を抑制でき、接点寿命の向上が図れると同時に、接点溶着の可能性を確実に回避できる。
また、可動接点３と一組の固定接点２との当接位置を両固定接点２の最外部とすることにより、可動接点３と固定接点２との接触面積を大きく確保できるため、接点摩耗を抑制でき、接点の寿命向上に寄与する。更に、可動接点３と固定接点２との当接位置が、より外側にある程、可動接点３のスパンを長く取ることができるため、接点衝突時の可動接点３の撓み剛性を小さくすることにも貢献する。
また、実施例１に記載した構成（接点衝突時の可動接点３の撓み剛性を１０００Ｎ／ｍｍ以下にしたこと）は、温度や振動等の影響によって大きく変化することはないので、温度変化が大きく且つ高振動が発生する自動車に電磁スイッチ１を搭載した場合でも、確実に接点バウンスの発生を抑制できる。

図４は接点衝突時に発生する衝撃荷重の変化を示すグラフである。
この実施例２では、接点スプリング２２の圧縮荷重について言及する。
可動接点３がソレノイド４に駆動されて一組の固定接点２に衝突すると、図４に示す様に、両接点間に衝撃荷重が加わる。なお、図中の実線グラフは、接点衝突時の可動接点３の撓み剛性が１０００Ｎ／ｍｍの場合の衝撃荷重を示し、破線グラフは、接点衝突時の可動接点３の撓み剛性が６００Ｎ／ｍｍの場合の衝撃荷重を示している。
この衝撃荷重は、接点衝突時に可動接点３が撓むことにより、可動接点３を固定接点２に押し付ける方向（図中のプラス側）と、可動接点３を固定接点２から離す方向（図中のマイナス側）とに交互に働き、可動接点３を固定接点２から離す方向に働く力が接点バウンスの要因となる。

そこで、可動接点３が一組の固定接点２に衝突した時に可動接点３に付与される接点スプリング２２の圧縮荷重をＦ１（図５参照）とし、可動接点３に作用する衝撃荷重の反力（図４のマイナス側に表れる衝撃荷重の最大値）をＰ１とした時に、
Ｆ１≧Ｐ１……………………（１）
上記（１）の関係が成立する様に、接点スプリング２２の圧縮荷重を設定する。これにより、衝突時の反力Ｐ１によって可動接点３が戻ろうとする動き（ソレノイド４によって駆動される動作方向と反対方向の動き）を、接点スプリング２２の圧縮荷重Ｆ１によって押さえ込むことができるので、より確実に接点バウンスの発生を抑制できる。
なお、図５には、（ａ）電磁石の吸引力特性、（ｂ）リターンスプリング１２の荷重特性、（ｃ）接点スプリング２２の荷重特性が示されている。

電磁スイッチ１の衝撃荷重は、実施例２に記載した接点衝突時だけでなく、その後、プランジャ１０が更に吸引されて内側鉄心８ｂの端面に衝突した時にも発生する。このプランジャ１０が内側鉄心８ｂの端面に衝突した時に発生する衝撃荷重は、シャフト１１を介して接点当接部に伝達され、接点衝突時と同様に、可動接点３を固定接点２から離す方向に働く力が接点バウンスの要因となる。

そこで、プランジャ１０が内側鉄心８ｂの端面に衝突した時に可動接点３に付与される接点スプリング２２の圧縮荷重をＦ２（図５参照）とし、プランジャ１０が内側鉄心８ｂの端面に衝突した時に可動接点３に作用する衝突時の反力（可動接点３を固定接点２から離す方向に働く力の最大値）をＰ２とした時に、
Ｆ２≧Ｐ２……………………（２）
上記（２）の関係が成立する様に、接点スプリング２２の圧縮荷重を設定する。これにより、衝突時の反力Ｐ２によって可動接点３が戻ろうとする動き（ソレノイド４によって駆動される動作方向と反対方向の動き）を、接点スプリング２２の圧縮荷重Ｆ２によって押さえ込むことができるので、より確実に接点バウンスの発生を抑制できる。

電磁スイッチの断面図である。 接点衝突時の可動接点の撓みを示す模式図である。 可動接点の撓み剛性とバウンス発生頻度との関係を示すグラフである。 接点衝突時の衝撃荷重の変化を示すグラフである。 電磁スイッチの作動特性図である。

符号の説明

１ 電磁スイッチ
２ 一組の固定接点
３ 可動接点
４ ソレノイド
７ 励磁コイル
８ 鉄心
１０ プランジャ
１１ シャフト
２２ 接点スプリング

Claims (5)

1. 電気回路に設けられる一組の固定接点と、
   この一組の固定接点間を断続する可動接点と、
   電磁石の吸引力を利用して前記可動接点を駆動するソレノイドと、
   前記可動接点が前記ソレノイドに駆動されて前記一組の固定接点に衝突した後、前記可動接点と前記一組の固定接点との間に接点圧を付与する接点スプリングとを備える電磁スイッチにおいて、
   前記可動接点が前記ソレノイドに駆動されて前記一組の固定接点に衝突した時に生じる前記可動接点の撓み剛性を１０００Ｎ／ｍｍ以下としたことを特徴とする電磁スイッチ。
2. 請求項１に記載した電磁スイッチにおいて、
   前記ソレノイドは、
   電流が流れることで前記電磁石を形成する励磁コイルと、
   前記電磁石により磁化される鉄心と、
   この鉄心との間にギャップを有して配置され、前記鉄心が磁化された時に前記鉄心に吸引されて移動するプランジャと、
   このプランジャの動きを前記可動接点に伝えるシャフトとを備え、
   前記可動接点が前記ソレノイドに駆動されて前記一組の固定接点に衝突した時に前記可動接点に付与される前記接点スプリングの圧縮荷重をＦ１とし、
   前記可動接点が前記ソレノイドに駆動されて前記一組の固定接点に衝突した時に前記可動接点に作用する衝突時の反力（前記可動接点を前記一組の固定接点から離す方向に働く力）をＰ１とした時に、
   Ｆ１≧Ｐ１……………………（１）
   上記（１）の関係が成立することを特徴とする電磁スイッチ。
3. 請求項１に記載した電磁スイッチにおいて、
   前記ソレノイドは、
   電流が流れることで前記電磁石を形成する励磁コイルと、
   前記電磁石により磁化される鉄心と、
   この鉄心との間にギャップを有して配置され、前記鉄心が磁化された時に前記鉄心に吸引されて移動するプランジャと、
   このプランジャの動きを前記可動接点に伝えるシャフトとを備え、
   前記電磁石の吸引力により前記プランジャが吸引されて前記可動接点が前記一組の固定接点に衝突した後、更に吸引されて前記プランジャが前記鉄心に衝突した時に前記可動接点に付与される前記接点スプリングの圧縮荷重をＦ２とし、
   前記電磁石の吸引力により前記プランジャが吸引されて前記鉄心に衝突した時に前記可動接点に作用する衝突時の反力（前記可動接点を前記一組の固定接点から離す方向に働く力）をＰ２とした時に、
   Ｆ２≧Ｐ２……………………（２）
   上記（２）の関係が成立することを特徴とする電磁スイッチ。
4. 請求項１〜３に記載した何れかの電磁スイッチにおいて、
   前記可動接点と前記一組の固定接点との当接位置を、前記固定接点の最外部としたことを特徴とする電磁スイッチ。
5. 請求項１〜４に記載した何れかの電磁スイッチは、エンジンの始動を行うスタータのモータ回路に設けられたメイン接点を開閉操作するものであり、前記可動接点が前記一組の固定接点に当接して両固定接点間を導通することで前記メイン接点が閉状態となり、前記可動接点が前記一組の固定接点から離れて両固定接点間の導通を遮断することで前記メイン接点が開状態となることを特徴とする電磁スイッチ。

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