JP7351155B2

JP7351155B2 - 電磁継電器

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Publication number: JP7351155B2
Application number: JP2019167423A
Authority: JP
Inventors: 直樹川口; 亮太箕輪; 裕之針持; 真一小川; 航平大塚; 博之岩坂
Original assignee: Omron Corp
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2019-09-13
Filing date: 2019-09-13
Publication date: 2023-09-27
Anticipated expiration: 2039-09-13
Also published as: JP2021044217A; DE102020005313A1; US11948764B2; CN112509865A; US20210082646A1

Description

本発明は電磁継電器に関する。

電磁継電器には、接点接触後にコイルへの電流を低減することで、接点保持時における消費電力を低減するものがある。例えば、特許文献１の電磁継電器では、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御によりコイル電圧を制御している。詳細には、接点の駆動開始から接点の接触完了での間、コイル電圧のデューティー比が１００％に設定される。そして、接点の保持時には、デューティー比が低減される。それにより、接点保持時にコイルへの電流が低減される。

特開平１－１３２１０８号公報

上述した電磁継電器では、接点接触前に大きな電流がコイルを流れる。そのため、接点の衝突エネルギーが大きくなることで、接点接触時のバウンスが大きくなってしまう。本開示の目的は、電磁継電器において、接点接触時のバウンスを低減することにある。

一態様に係る電磁継電器は、固定端子と、固定接点と、可動接触片と、可動接点と、コイルと、駆動回路とを備える。固定接点は、固定端子に接続される。可動接触片は、固定端子に対して開方向と閉方向とに移動可能である。可動接点は、可動接触片に接続され、固定接点に向かい合って配置される。コイルは、可動接触片を移動させる電磁力を発生させる。駆動回路は、コイルへの電流を制御する。駆動回路は、第１期間において、第１上昇速度で電流を上昇させる。第１期間は、コイルに電流を流す開始時点から、可動接点の固定接点への接触時点の前までの期間を含む。駆動回路は、第２期間において、第１上昇速度よりも大きい第２上昇速度で電流を上昇させる。第２期間は、接触時点後の期間を含む。

本態様に係る電磁継電器では、第１期間では、第２期間よりも遅い上昇速度でコイルに電流が流れる。そのため、接点の衝突エネルギーが低減される。それにより、接点のバウンスが低減される。また、第２期間では、第１期間よりも早い上昇速度でコイルに電流が流れる。そのため、可動接点の固定接点への押付け力が増大する。それにより、接点のバウンスがさらに低減される。

駆動回路は、第２期間後の第３期間において、第１期間中の電流値よりも高い電流値でコイルへの電流を保持してもよい。この場合、接点のバウスンスを迅速に収束させて、安定的に接点を互いに接触させることができる。

駆動回路は、第３期間後の第４期間において、第３期間中の電流値よりも低い電流値にコイルへの電流を低減してもよい。この場合、接点保持時における消費電力が低減される。

第１期間は第２期間よりも長くてもよい。この場合、コイルへの電流をゆっくりと上昇させることで、接点の衝突エネルギーを低減することができる。

電磁継電器は、接点電圧検出ユニットをさらに備えてもよい。接点電圧検出ユニットは、可動接点と固定接点とにおける電圧を検出してもよい。駆動回路は、接点電圧検出ユニットが検出した電圧から接触時点を検出してもよい。この場合、可動接点における電圧から接点の接触を精度よく検出することができる。

駆動回路は、接点電圧検出ユニットが検出した電圧に基づいて第２期間を開始してもよい。この場合、接点の接触時点に応じて、第２期間を適切に開始することができる。

電磁継電器は、可動機構と可動鉄心とをさらに備えてもよい。可動機構は、可動接触片に接続されてもよい。可動鉄心は、可動機構に接続され、コイルから発生する電磁力によって移動してもよい。第１期間は、開始時点から可動鉄心が動き出すまでの期間を含んでもよい。この場合、可動鉄心が動き出すまでコイルへの電流をゆっくりと上昇させることで、接点の衝突エネルギーを低減することができる。

本開示によれば、電磁継電器において、接点接触時のバウンスを低減することができる。

実施形態に係る開状態の電磁継電器を示す側面断面図である。閉状態の電磁継電器を示す側面断面図である。駆動回路の構成を示す模式図である。駆動回路による電磁継電器の制御を示すタイミングチャートである。変形例に係る電磁継電器を示す側面断面図である。

以下、図面を参照して実施形態に係る電磁継電器１について説明する。図１は実施形態に係る電磁継電器１を示す側面断面図である。図１に示すように、電磁継電器１は、接点装置２と、ハウジング３と、駆動装置４とを備える。

なお、以下の説明において、上下左右の各方向は、図１における上下左右の各方向を意味するものとする。詳細には、駆動装置４から接点装置２に向かう方向が、上方と定義される。接点装置２から駆動装置４に向かう方向が、下方と定義される。図１において、上下方向に交差する方向が、左右方向と定義される。上下方向および左右方向に交差する方向が、前後方向と定義される。前後方向は、図１の紙面に垂直な方向である。ただし、これらの方向は、説明の便宜上、定義されるものであって、電磁継電器１の配置方向を限定するものではない。

接点装置２は、ハウジング３内に配置されている。接点装置２は、可動機構１０と、第１固定端子１１と、第２固定端子１２と、可動接触片１３と、第１固定接点１４と、第２固定接点１５と、第１可動接点１６と、第２可動接点１７とを含む。第１固定端子１１と第２固定端子１２とは、例えば銅、或いは銅合金などの導電性を有する材料製である。第１固定接点１４は、第１固定端子１１に接続されている。第２固定接点１５は、第２固定端子１２に接続されている。第１固定接点１４と第２固定接点１５とは、左右方向に互いに離れて配置されている。

第１固定端子１１は、第１接点支持部２１と第１外部端子部２２とを含む。第１接点支持部２１は、可動接触片１３と向かい合っている。第１固定接点１４は、第１接点支持部２１に接続されている。第１外部端子部２２は、第１接点支持部２１に接続されている。第１外部端子部２２は、ハウジング３から外方に突出している。

第２固定端子１２は、第２接点支持部２３と第２外部端子部２４とを含む。第２接点支持部２３は、可動接触片１３と向かい合っている。第２固定接点１５は、第２接点支持部２３に接続されている。第２外部端子部２４は、第２接点支持部２３に接続されている。第２外部端子部２４は、ハウジング３から外方に突出している。詳細には、第１外部端子部２２と第２外部端子部２４とは、ハウジング３から上方に突出している。

可動接触片１３は、左右方向に延びている。可動接触片１３は、上下方向において、第１固定端子１１の第１接点支持部２１と、第２固定端子１２の第２接点支持部２３とに向かい合って配置されている。可動接触片１３は、閉方向Ｚ１と開方向Ｚ２とに移動可能に配置されている。閉方向Ｚ１は、可動接触片１３が第１固定端子１１および第２固定端子１２に近接する方向（図１における上方）である。開方向Ｚ２は、可動接触片１３が第１固定端子１１および第２固定端子１２から開離する方向（図１における下方）である。

第１可動接点１６と第２可動接点１７とは、可動接触片１３に接続されている。第１可動接点１６と第２可動接点１７とは、左右方向に互いに離れて配置されている。第１可動接点１６は、上下方向において第１固定接点１４に向かい合っている。第２可動接点１７は、上下方向において第２固定接点１５に向かい合っている。

可動機構１０は、可動接触片１３を支持している。可動機構１０は、可動接触片１３と共に、閉方向Ｚ１と開方向Ｚ２とに移動可能に配置されている。可動機構１０は、駆動軸１９と、第１保持部材２５と、第２保持部材２６と、接点バネ２７とを含む。駆動軸１９は、上下方向に延びている。駆動軸１９は、可動接触片１３に接続されている。駆動軸１９は、可動接触片１３から下方に延びている。可動接触片１３には、孔１３ａが設けられている。駆動軸１９は孔１３ａに挿入されている。可動接触片１３は、駆動軸１９に対して、閉方向Ｚ１と開方向Ｚ２とに相対的に移動可能である。

駆動軸１９は、閉位置と開位置とに移動可能に設けられる。図１は、開位置の駆動軸１９を示している。図１に示すように、駆動軸１９が開位置で、可動接点１６，１７は、固定接点１４，１５から開離している。図２は、閉位置の駆動軸１９を示している。図２に示すように、駆動軸１９が閉位置で、可動接点１６，１７は、固定接点１４，１５と接触している。

第１保持部材２５は、駆動軸１９に固定されている。接点バネ２７は、可動接触片１３と第１保持部材２５との間に配置される。接点バネ２７は、可動接点１６，１７が固定接点１４，１５に接触している状態で、可動接触片１３を閉方向Ｚ１に付勢する。第２保持部材２６は、駆動軸１９に固定されている。可動接触片１３は、第２保持部材２６と接点バネ２７との間に位置している。

駆動装置４は、電磁力によって可動接触片１３を動作させる。駆動装置４は、閉方向Ｚ１および開方向Ｚ２に可動機構１０を移動させる。それにより、駆動装置４は、閉方向Ｚ１および開方向Ｚ２に可動接触片１３を移動させる。駆動装置４は、可動鉄心３１と、コイル３２と、固定鉄心３３と、ヨーク３４と、復帰バネ３５とを含む。

可動鉄心３１は、駆動軸１９に接続されている。可動鉄心３１は、閉方向Ｚ１および開方向Ｚ２に移動可能に設けられている。コイル３２は、通電されることで可動鉄心３１を閉方向Ｚ１に移動させる電磁力を発生させる。固定鉄心３３は、可動鉄心３１と向かい合って配置されている。復帰バネ３５は、可動鉄心３１と固定鉄心３３との間に配置されている。復帰バネ３５は、可動鉄心３１を開方向Ｚ２に付勢している。

ヨーク３４は、コイル３２を囲むように配置されている。ヨーク３４は、コイル３２によって構成される磁気回路上に配置されている。ヨーク３４は、コイル３２の上方と、コイル３２の側方と、コイル３２の下方とに配置されている。

次に、電磁継電器１の動作について説明する。コイル３２に通電されていないときには、駆動装置４は励磁されていない。この場合、駆動軸１９は、可動鉄心３１と共に、復帰バネ３５の弾性力によって開方向Ｚ２に押圧されている。そのため、駆動軸１９は、図１に示す開位置に位置している。この状態で、可動機構１０を介して、可動接触片１３も開方向Ｚ２に押圧されている。従って、駆動軸１９が開位置で、第１可動接点１６および第２可動接点１７は、第１固定接点１４および第２固定接点１５から開離している。

コイル３２に通電されると、駆動装置４が励磁される。この場合、コイル３２の電磁力により、可動鉄心３１が、復帰バネ３５の弾性力に抗して、閉方向Ｚ１に移動する。それにより、駆動軸１９と可動接触片１３とが共に閉方向Ｚ１に移動する。従って、図２に示すように、駆動軸１９は、閉位置へ移動する。その結果、図２に示すように、駆動軸１９が閉位置で、第１可動接点１６および第２可動接点１７は、第１固定接点１４および第２固定接点１５にそれぞれ接触する。

コイル３２への電流が停止され消磁されると、可動鉄心３１は、復帰バネ３５の弾性力によって開方向Ｚ２に押圧される。それにより、駆動軸１９と可動接触片１３とが共に開方向Ｚ２に移動する。従って、図１に示すように、可動機構１０は、開位置へ移動する。その結果、可動機構１０が開位置で、第１可動接点１６および第２可動接点１７は、第１固定接点１４および第２固定接点１５から開離する。

上記のようなコイル３２への電流の制御は、図３に示す駆動回路４１によって行われる。電磁継電器１は、駆動回路４１を備えている。駆動回路４１は、外部からの制御信号に応じて、電磁継電器１を開状態と閉状態とに切り換える。駆動回路４１は、コイル３２に供給されるコイル電流とコイル電圧とを制御する。詳細には、駆動回路４１は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御によりコイル電圧を制御する。

駆動回路４１は、電源回路４２と、制御回路４３と、スイッチング回路４４と、還流回路４５と、コイル電圧センサ４６と、コイル電流センサ４７と、接点電圧検出ユニット４８とを含む。電源回路４２は、図示しない外部の電源に接続される。電源回路４２は、例えばスイッチを含む。電源回路４２は、外部からの制御信号によって制御され、駆動回路４１への電力のオン／オフを切り換える。

制御回路４３は、例えばプロセッサを含む。制御回路４３は、スイッチング回路４４にパルス信号を出力する。スイッチング回路４４は、例えば、ＭＯＳ－ＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor-Field Effect Transistor）などの半導体スイッチング素子を含む。スイッチング回路４４は、制御回路４３からのパルス信号に応じて、電源回路４２からコイル３２に入力される電圧のオン／オフを切り換える。

還流回路４５は、コイル３２に並列に接続されている。還流回路４５は、例えばダイオード素子を含む。コイル電圧センサ４６は、コイル電圧を検出する。コイル電圧センサ４６は、コイル電圧を示す信号を制御回路４３に入力する。コイル電流センサ４７は、コイル電流を検出する。コイル電流センサ４７は、コイル電流を示す信号を制御回路４３に入力する。接点電圧検出ユニット４８は、接点電圧を検出する。接点電圧は、接点１４－１７間の電圧である。接点電圧検出ユニット４８は、例えば、電圧センサである。ただし、接点電圧検出ユニット４８は、フォトカプラなどの他の検出装置であってもよい。接点電圧検出ユニット４８は、接点電圧を示す信号を制御回路４３に入力する。

図４は、駆動回路４１による電磁継電器１の制御を示すタイミングチャートである。図４（ａ）は、外部からの制御信号を示す。制御信号がオフを示すときには、電磁継電器１は開状態となる。制御信号がオンを示すときには、電磁継電器１は閉状態となる。図４（ｂ）は、コイル電圧信号を示している。コイル電圧信号は、コイル電圧を示す。図４（ｃ）は、コイル電流を示している。図４（ｄ）は、接点信号を示している。接点信号は、接点電圧を示す。電磁継電器１が開状態では、接点信号はオフを示す。電磁継電器１が閉状態では、接点信号はオンを示す。

時間Ｔ０において、制御信号はオフである。従って、駆動回路４１は、コイル３２に電圧を印加せず、コイル３２には電流が流れない。そのため、電磁継電器１は開状態であり、接点信号はオフを示す。

時間Ｔ１において制御信号がオンに変わると、駆動回路４１は、第１期間Ｔ１－Ｔ２において、電圧値Ｖ１且つデューティー比Ａ１のコイル電圧信号をコイル３２に印加する。デューティー比Ａ１は、１００％よりも小さい。それにより、第１期間Ｔ１からコイル３２に電流が流れ始め、第１期間Ｔ１－Ｔ２において、コイル電流が第１上昇速度で上昇する。コイル電流の上昇速度は、単位時間当たりの電流の増加量を示す。従って、第１上昇速度は、図４（ｃ）において、第１期間Ｔ１－Ｔ２におけるコイル電流の傾きを示す。

第１期間Ｔ１－Ｔ２において、コイル３２に通電されることで、駆動装置４が励磁される。それにより、第１期間Ｔ１－Ｔ２において、可動鉄心３１が閉方向Ｚ１に動き出し、可動接点１６，１７が閉方向Ｚ１に移動する。時間Ｔ２において、可動接点１６，１７が固定接点１４，１５に接触する。駆動回路４１は、コイル電圧センサ４６が検出した接点電圧から、接点１４－１７の接触を検出する。このとき、コイル電流は、電流値Ｉ１である。

駆動回路４１は、接点１４－１７の接触を検出すると、第２期間Ｔ２－Ｔ３において、電圧値Ｖ２且つデューティー比Ａ２のコイル電圧信号をコイル３２に印加する。デューティー比Ａ２は、デューティー比Ａ１よりも大きい。例えば、デューティー比Ａ２は、１００％である。ただし、デューティー比Ａ２は１００％より小さくてもよい。電圧値Ｖ２は、電圧値Ｖ１よりも大きい。それにより、第２期間Ｔ２－Ｔ３において、コイル電流が第２上昇速度で上昇する。第２上昇速度は、第１上昇速度よりも大きい。なお、第２期間Ｔ２－Ｔ３は、第１期間Ｔ１－Ｔ２よりも短い。すなわち、第１期間Ｔ１－Ｔ２は、第２期間Ｔ２－Ｔ３よりも長い。

時間Ｔ３において、コイル電流が電流値Ｉ２に到達すると、駆動回路４１は、コイル電圧を電圧値Ｖ１まで低下させる。駆動回路４１は、第３期間Ｔ３－Ｔ４においてコイル電圧を電圧値Ｖ１に保持する。駆動回路４１は、第３期間Ｔ３－Ｔ４において、電圧値Ｖ１且つデューティー比Ａ３のコイル電圧信号をコイル３２に印加する。デューティー比Ａ３は、デューティー比Ａ１よりも大きい。デューティー比Ａ３は、例えば１００％である。ただし、デューティー比Ａ３は、１００％より小さくてもよい。

第３期間Ｔ３－Ｔ４において、コイル電流が電流値Ｉ２に保持される。電流値Ｉ２は、電流値Ｉ１よりも大きい。このように、第２期間Ｔ２－Ｔ３及び第３期間Ｔ３－Ｔ４において、コイル電流が急速に上昇して高い電流値Ｉ２に保持されることで、可動接点１６，１７の固定接点１４，１５への押付け力が増大する。それにより、第２期間Ｔ２－Ｔ３および第３期間Ｔ３－Ｔ４において、可動接点１６，１７のバウンスが低減される。

時間Ｔ３から所定時間が経過すると、時間Ｔ４以降の第４期間において、駆動回路４１は、電圧値Ｖ１且つデューティー比Ａ４のコイル電圧信号をコイル３２に印加する。デューティー比Ａ４は、１００％よりも小さい。デューティー比Ａ４は、デューティー比Ａ１よりも小さい。それにより、接点１４－１７が閉状態に保持されている間の消費電力が低減される。

以上説明した本実施形態に係る電磁継電器１では、第１期間Ｔ１－Ｔ２では、第２期間Ｔ２－Ｔ３よりも遅い上昇速度でコイル３２に電流が流される。そのため、接点１４－１７の衝突エネルギーが低減される。それにより、接点のバウンスが低減される。また、第２期間Ｔ２－Ｔ３では、第１期間Ｔ１－Ｔ２よりも早い上昇速度でコイル３２に電流が流される。そのため、可動接点１６，１７の固定接点１４，１５への押付け力が増大する。それにより、接点のバウンスがさらに低減される。また、接点接触時の衝突音が低減される。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

上記の実施形態では、駆動装置４が駆動軸１９を駆動装置４側から押し出すことで、可動接触片１３が閉方向Ｚ１に移動する。また、駆動装置４が駆動軸１９を駆動装置４側に引き込むことで、可動接触片１３が開方向Ｚ２に移動する。しかし、接点を開閉するための駆動軸１９の動作方向は、上記の実施形態と逆であってもよい。すなわち、駆動装置４が駆動軸１９を駆動装置４側に引き込むことで、可動接触片１３が閉方向Ｚ１に移動してもよい。駆動装置４が駆動軸１９を駆動装置４側から押し出すことで、可動接触片１３が開方向Ｚ２に移動してもよい。すなわち、閉方向Ｚ１と開方向Ｚ２とは、上記の実施形態とは逆であってもよい。

第１固定端子１１、第２固定端子１２、或いは可動接触片１３の形状、或いは配置が変更されてもよい。例えば、図５に示すように、第１外部端子部２２と第２外部端子部２４とは、左右方向にハウジング３から突出してもよい。或いは、第１外部端子部２２と第２外部端子部２４とは、前後方向にハウジング３から突出してもよい。可動鉄心３１、コイル３２、固定鉄心３３、或いはヨーク３４の形状、或いは配置が変更されてもよい。第１固定接点１４、第２固定接点１５、第１可動接点１６、第２可動接点１７の形状、或いは配置が変更されてもよい。

第１固定接点１４は、第１固定端子１１と別体であってもよく、或いは一体であってもよい。第２固定接点１５は、第２固定端子１２と別体であってもよく、或いは一体であってもよい。第１可動接点１６は、可動接触片１３と別体であってもよく、或いは一体であってもよい。第２可動接点１７は、可動接触片１３と別体であってもよく、或いは一体であってもよい。

駆動回路４１の構成は、上記の実施形態のものに限らず、変更されてもよい。駆動回路４１は、ＰＷＭ制御を行うための公知の回路であってもよい。接点電圧検出ユニット４８は、省略されてもよい。上記の実施形態では、駆動回路４１は、接点１４－１７の接触が検出された時点で、コイル電流の上昇速度を第１上昇速度から第２上昇速度に変更している。しかし、駆動回路４１は、時間Ｔ１からの経過時間を計測し、時間Ｔ１から所定時間が経過したときに、コイル電流の上昇速度を第１上昇速度から第２上昇速度に変更してもよい。この場合、第１期間は、時間Ｔ１から接点１４－１７の接触時点の前までの期間であってもよい。

１０可動機構
１１第１固定端子
１３可動接触片
１４第１固定接点
１６第１可動接点
３１可動鉄心
３２コイル
４１駆動回路
４８接点電圧検出ユニット

Claims

固定端子と、
固定端子に接続された固定接点と、
前記固定端子に対して開方向と閉方向とに移動可能な可動接触片と、
前記可動接触片に接続され、前記固定接点に向かい合って配置された可動接点と、
前記可動接触片を移動させる電磁力を発生させるコイルと、
前記コイルへの電流を制御する駆動回路と、
前記可動接点と前記固定接点における電圧を検出する接点電圧検出ユニットと、
を備え、
前記駆動回路は、
前記コイルに電流を流す開始時点から、前記可動接点の前記固定接点への接触時点の前までの期間を含む第１期間において、第１上昇速度で前記電流を上昇させ、
前記接触時点後の期間を含む第２期間において、前記第１上昇速度よりも大きい第２上昇速度で前記電流を上昇させ、
前記駆動回路は、前記接点電圧検出ユニットが検出した電圧から前記接触時点を検出する、
電磁継電器。
前記駆動回路は、前記第２期間後の第３期間において、前記第１期間中の電流値よりも高い電流値で前記コイルへの電流を保持する、
請求項１に記載の電磁継電器。
前記駆動回路は、前記第３期間後の第４期間において、前記第３期間中の電流値よりも低い電流値に前記コイルへの電流を低減する、
請求項２に記載の電磁継電器。
前記第１期間は、前記第２期間よりも長い、
請求項１から３のいずれかに記載の電磁継電器。
前記駆動回路は、前記接点電圧検出ユニットが検出した電圧に基づいて前記第２期間を開始する、
請求項１から４のいずれかに記載の電磁継電器。
前記可動接触片に接続される可動機構と、
前記可動機構に接続され、前記コイルから発生する電磁力によって移動する可動鉄心と、
をさらに備え、
前記第１期間は、前記開始時点から前記可動鉄心が動き出すまでの期間を含む、
請求項１から５のいずれかに記載の電磁継電器。