Electromagnetic relay

本発明は、マグネットヨークと、リレーコイルと、常開接点もしくは切換接点として可動接点が少なくとも１つの第１の固定接点に対して固定された、回転軸周りに旋回可能なクラッパー形アーマチュアとを備えた、特に原動機付き車両用リレーである電磁リレーに関するものである。

特に原動機付き車両においても電磁的なスイッチとして多く使用されているリレーは、内部にリレーコイルが配置された制御回路を介して起動されるとともに、通常は、例えば電動モーター、燃料ポンプ又はしばしば例えば燃料噴射システムの安全性に関連する車両部品が接続された少なくとも１つの他の電流回路を切り換えるものである。

原則的には、単安定性のリレーと双安定性のリレーの間は区別される。 動作位置（ＯＮ）を占めるとともにこれを維持するために、単安定性のリレーは、アーマチュアの引き付け及び保持に対して、リレーコイル（励磁巻線）による継続的な電流の流れが必要である。 電流の流れが中断されると、リレーは、自動的にその非動作位置（ＯＦＦ）へ移動する。 双安定性のリレーは、非通電の状態において、２つの異なる安定的な状態を備えている。 このために、このリレーは、制御回路において生じた電流インパルスにおいてそれぞれ他の切換状態へ切り換えられるとともに、この状態を次の制御インパルスまで維持する。 したがって、双安定性のリレーは、所定の切換位置へ至るように積極的に制御される必要がある。

特に原動機付き車両の分野においては、電流を節約したリレー制御を有するできる限り電力の小さなリレーが望まれるか、あるいは必要とされる。 損失電力及び特に継続的な損失が原動機付き車両のＣＯ _２排出の対応した上昇を引き起こすのでなおさらである。

電力の小さなリレーの提供のために、特許文献１には、比較的大きな引き付け電圧がアーマチュアに対して必要な第１のフェーズにおいて２つのリレーを、並行に、かつ、接続部において、比較的わずかな１つのみの保持電圧が必要な第２のフェーズにおける常開接点の閉鎖へ並んで切り換えることが開示されている。

特許文献２に開示されたリレーにおいては、スイッチが、リレーの励磁巻線の保持電流を調節する保持抵抗を調整するものとなっている。 抵抗の調節の結果、励磁巻線の起動の第１の瞬間には比較的大きな引き付け電流が提供される。

特許文献３には、励磁回路における、なされたリレーの引き付けに関連して、電圧供給を、マイクロコントローラによって、常開接点を保持する最小値に減少させることが開示されている。

特許文献４に開示されたリレーにおいては、励磁巻線によってまず引き付け電流が流れ、引き付け時間の経過後に引き付け電流より小さな保持電流が流れるよう、リレーの通電時にスイッチによって励磁電流を制御するようにリレー制御部が形成されている。

特許文献５においても、リレーの制御時に、引き付け時間に関連してコイル電流のパルス幅変調によってリレーコイルにおける損失電力を低減させることが開示されている。

本発明は、特に保持作動（ＯＮ）においてできる限り小電力で動作する、好ましくは原動機付き車両用のリレーとして適した電磁リレーを提供するという課題を基礎とするものである。

上記課題は、本発明に基づき、請求項１の特徴によって達成される。 好ましい形態、発展形成及びバリエーションは、従属請求項の対象である。

このために、リレーは、可動接点又は切換接点を備えており、したがって、非常にわずかな電流消費のみにおいて、単安定性の状況を有するハイブリッドのシステムを形成している。 可動接点あるいは切換接点は、非通電の励磁巻線において、ピエゾアクチュエータによって、好ましくは、バネ接点の形態の可動接点がバネ付勢されて接触するクラッパー形アーマチュアを介して間接的にその閉鎖が保持されている。

したがって、本発明によるリレーはたしかに保持動作の原理に基づく双安定性のシステムとも比較可能であるが、保持動作においては、リレーコイルあるいは励磁巻線は従来の単安定性のリレーと異なり非通電である。 ピエゾアクチュエータは、その制御において単に短い電流の流れが必要である一方、これに続く非常にわずかな漏えい電流のみにおいては、単に電圧が適合される必要がある（保持動作）。 したがって、ピエゾアクチュエータがほぼ電力なしに動作し、リレーコイルが非通電であるため、本発明によるリレーは、保持動作においても同様に有用に電力なしで動作する。

これにより提供されるハイブリッドのピエゾリレーシステムは、安全な切換に特に適している。 単安定性の状況は、特に原動機付き車両のオンボード電圧のロスである電圧ロスにおいてピエゾリレーが信頼性をもって所定の状態へ自動的に移行することを保証するものである。 保持動作時及びピエゾアクチュエータの非通電のリレーコイルにおいて接点の閉鎖が制御電圧が存在する間のみ保持されるため、制御電圧の低下時に、供給電圧あるいはオンボード電圧の電圧低下による自発的な接点の開放がなされる。

適切に無電力に保持された保持状態あるいは停止状態により、本発明によるリレーは、特に原動機付き車両の分野において非常に好ましい。 なぜなら、原動機付き車両の相応のＣＯ _２削減と同時にわずかな損失電力が生じるためである。 加えて、本発明によるハイブリッドのピエゾリレーシステムのリレーコイルの温度発生、すなわち動作温度は、従来のリレーに比して大幅に小さなものであるとともに、ほぼ室温である。 このことは、ピエゾリレーのための取付空間の特にフレキシブルな、あるいは可変の形状の重大な利点を提供するものである。

たしかに、ピエゾアクチュエータ（圧電的なエロンゲータ）をリレーに設けることが基本的には知られているが、例えば特許文献６、特許文献７、特許文献８又は特許文献９から公知のこのリレーにおいては、特に圧電的なたわみ型変動部材として構成されたピエゾアクチュエータが励磁巻線あるいは励磁コイルの代役を果たすとともに、直接常開接点に接触している。

特許文献１０から公知のエラー電流レリーズスイッチにおいてもピエゾアクチュエータが使用されており、このピエゾアクチュエータは、クラッパー形アーマチュアにおける直接の機械的な接点に接触している。 しかしながら、このピエゾアクチュエータは、Ｕ字状のマグネットヨークの磁極脚部を包囲する励磁巻線に加えて、又はこれに代えて、クラッパー形アーマチュアに接触する機械的な復帰バネを不意の拘束力の克服に対して補助するために、クラッパー形アーマチュアの磁極面からの取外しに役立つものとなっている。

本発明によるリレーのピエゾアクチュエータは好ましくは（ピエゾ）スタックアクチュエータ（stack）として構成されており、その力の作動方向は、クラッパー形アーマチュアの回転軸に対して平行に延びている。 ピエゾアクチュエータによってその制御により生じる作動力の拡大のために、適切には、レバー伝動部が設けられている。 このレバー伝動部は、作動力をクラッパー形アーマチュア側あるいは可動接点側に保持された引張要素の着脱自在な固定のためのクランプ作動力へ変換するものである。 伝動比率は適切には２：１であり、そのため、ピエゾアクチュエータの作動力が例えば≧１５μｍからクランプ作動力≧３０μｍとなる。

一方側でクラッパー形アーマチュアあるいは可動接点（切換接点又はスイッチオーバー接点）に保持された引張要素は、好ましくは自由端側でクランプギャップ内へ案内されているとともに、ここでピエゾアクチュエータの制御により、クランプギャップにおいて摩擦結合式に保持されている。

クランプギャップには、好ましくはマグネットヨークが設けられている。 このために、適切にはＬ字状のマグネットヨークにおけるクラッパー形アーマチュアに対して平行な磁極脚部には、材料のくぼみによって形成されたスリットが形成されている。 このスリットは、リレーコイルに対して径方向に延びているとともに、適当な箇所において、マグネットヨーク材料によって形成された幅狭のウェブによって中断あるいは閉鎖されている。 これにより、材料ウェブによって形成された回転箇所あるいは傾斜箇所からピエゾアクチュエータの方向へこのピエゾアクチュエータによって負荷されるレバーアームと、クランプギャップへ他の方向に向けて、回転箇所周りに旋回するクランプレバーのクランプアームとが形成されている。 このとき、クランプアームの長さは、好ましくはレバーアームよりも長く好ましくは少なくとも２倍である。

取り付けた状態において、クランプレバーに負荷をかけるピエゾアクチュエータは支持脚部において支持されており、そのクランプレバーへの間隔は、ピエゾアクチュエータのアクチュエータ高さに適合されている。 リレーコイルについて、径方向の磁極脚部に対して直角に延びる軸方向の機能脚部が、好ましくはピエゾアクチュエータのためのＵ字状の収容ポケット部を備えている。 互いに平行なＵ字状の脚部は、磁極脚部の支持脚部あるいはクランプ脚部へ移行している。

機能脚部には、クラッパー形アーマチュアが回転軸を介して結合されている。 加えて、適切には、励磁巻線によって包囲されたリレーコイルのマグネットコアが、一方ではクラッパー形アーマチュアに対して案内されており、他方ではマグネットヨークすなわちクラッパー形アーマチュアとは反対側の磁極脚部に例えばリベット留めされて固定されている。

開放されたクランプギャップからの引張要素の（径方向の）滑り出しを確実に防止するために、このクランプギャップは溝状のクランプ溝によって形成されており、このクランプ溝には、引張要素が確実に収容される。 クランプ溝に係合するクランプ凸部が、合目的には、クランプレバーに設けられている。 一方、クランプ溝は、反対側のギャップ側で、残存するマグネットヨークの磁極脚部に配置されている。

可動接点は、好ましくはクラッパー形アーマチュアにおいて作用するバネ復帰力の生成のためのバネ接点として構成されている。 このために、略Ｌ字状のバネ要素が適当に湾曲あるいは変形されており、先端を切られたバネ脚部のうちの１つがマグネットヨークの機能脚部に固定されており、他のバネ脚部がクラッパー形アーマチュアに固定されている。

ピエゾアクチュエータは認識されるように電流消費におけるコンデンサに類似のように動作するため、一方では単にクランプ力の生成の瞬間においてのみ電流の流れが必要である。 他方では、ピエゾアクチュエータの制御のための制御電圧の喪失時にクランプの確実な解除のために、適切なオーム抵抗がピエゾアクチュエータに並列に接続されている。 これにより、特に適当に信頼性のある常開接点の開放又は切換接点の場合における接点切換によってリレーが確実に所定の状態へ移行するように保証される。

本発明によるリレーの構成要素は、好ましくは装置台及びケーシングキャップで形成されたリレーケーシング内に確実にシールされて取り付けられている。 このとき、好ましくは共通の制御電子機器は、ケーシング内部において、リレーコイル及びピエゾアクチュエータに組み込まれている。 ケーシング台からは、常開接点あるいは切換接点と、電子機器のための制御接点とがタブ端子として導出されている。 ピエゾアクチュエータの接続部は、ケーシング内部において、電子機器に接続されている。

旋回可能なクラッパー形アーマチュアを備えたマグネットヨークにおけるリレーコイルと、非通電の励磁巻線において引張要素によって常開接点あるいは切換接点を閉鎖したまま維持するピエゾアクチュエータとを備える電磁リレーを概略的に示す図である。

クランプレバーの形成下でスリット化された磁極脚部を備えたマグネットヨークの詳細な側面図である。

開放されたケーシングにおけるピエゾアクチュエータを見た電磁リレーの詳細斜視図である。

常開接点あるいは切換接点及び引張要素を見た電磁リレーの他の詳細斜視図である。

部分的に取り付けられたケーシング台、分離されたヨーク及びリレーコイル並びにケーシングキャップを備えたリレーの第１の分解図である。

細分化された分解図におけるリレーを示す図である。

電磁リレーの回路図である。

以下に、本発明の実施例を図面を参照しつつ詳細に説明する。

全ての図において、互いに対応する部材には同一の符号が付されている。

図１には、当該マグネットヨークにおいて回転軸３周りに旋回可能なクラッパー形アーマチュア４を備えたマグネットヨーク２を有するリレー１が概略的に示されており、クラッパー形アーマチュアには可動接点５が固定されている。 この可動接点５は、閉鎖位置では固定接点（常閉接点）６ａと共に位置し、開放位置では他の固定接点（常開接点）６ｂに対して位置している。 その結果、全体として切換接点又はスイッチオーバー接点が形成されている。

クラッパー形アーマチュア４とこれに対して平行な、Ｌ字状のマグネットヨーク２の磁極脚部２ａとの間には、以下で励磁巻線とも呼ばれるリレーコイル７がそのマグネットコア８と共に位置している。 マグネットコア８と、マグネットヨーク２の機能脚部２ｂとがリレーコイル７に関して軸方向ｘへ延びている一方、クラッパー形アーマチュア４と、マグネットヨーク２の磁極脚部２ａとは、これに関して径方向ｙへ延びている。 機能脚部２ｂあるいはこの機能脚部とマグネットヨーク２の磁極脚部２ａの間の移行部の近傍には、ピエゾアクチュエータ９が配置されている。 このピエゾアクチュエータは、ピエゾスタックアクチュエータ（stack）として構成されている。

以下においてクランプバネとして示される引張要素１０がマグネットヨーク２の機能脚部２ｂに対向して配置されており、この引張要素は、Ｕ字状のマグネットヨーク２の開放された側を緊張して覆っているとともに、一方ではクラッパー形アーマチュア４に保持され、他方ではマグネットヨーク２の磁極脚部２ａに保持されている。 クラッパー形アーマチュア４に付設された引張要素１０のバネ端部１０ａがクラッパー形アーマチュア４において着脱不能に保持されている一方、これとは反対側の引張要素１０のクランプ端部１０ｂは、引き付けられたクラッパー形アーマチュア４、すなわち閉鎖された接点５，６ａにおいて、磁極脚部２ａ内に設けられたクランプギャップ１１（図２）にクランプ固定されている。 この状態において、リレーコイル７は、クラッパー形アーマチュア４が傾斜して接点５，６ａが開放することなく、非通電において制御されることが可能である。

これにより、単安定性の状況を伴う安全な切換及び非常にわずかな電流消費のためのハイブリッドなピエゾリレーシステムが提供される。 図示の保持動作においてリレーコイル７が非通電で、かつ、制御あるいは電圧印加の結果生じる、引き付けられたアーマチュア４において引張要素１０を保持するクランプ力Ｆ _Ｋの維持のためのピエゾアクチュエータ９が単に必要な制御電圧に応じて必要とされ、及びこのようなピエゾアクチュエータ９における漏えい電流が非常にわずかであるため、接点５，６ａの接点の閉鎖はほぼ無電力でなされる。 このことは、特に原動機付き車両の分野において非常に好ましい。 なぜなら、原動機付き車両のＣＯ _２排出の上昇と同時に、リレーの損失電力が電力のワットに伴い現れるためである。

図２には、マグネットヨーク２の磁極脚部２ａの側面における、磁極脚部２ａに形成されたクランプレバー１２が示されている。 このクランプレバーは、径方向ｙへ延びる長手スリット１３によって磁極脚部２ａに形成されている。 長手スリット（材料スリット又はラジアルスリット）１３に沿って材料ウェブ１４が存在あるいは残存しており、この材料ウェブは、破線で示す回転軸１５周りの回転位置を形成するとともに、長手スリット１３を適当かつ局所的に閉鎖するものである。 したがって、回転箇所あるいは回転軸１５とピエゾアクチュエータ９の位置の間にはレバーアームａが形成され、回転箇所１４とクランプギャップ１１の間にはクランプアームｂが形成される。 このとき、本実施例において、クランプアームｂは、レバーアームａの約２倍の長さとなっている（ｂ≧２ａ）。

ｚ方向へ延びるピエゾアクチュエータのアクチュエータ高さｈだけクランプレバー１２に対して離間して、支持脚部１６がマグネットヨーク２内へ取り付けられており、この支持脚部には、制御によってクランプレバー１２を操作するピエゾアクチュエータ９が支持されている。 図示のデカルト座標系によれば、ピエゾアクチュエータ９により生じるクランプ力Ｆ _Ｋ及びその作動方向がｚ方向へ延びている。 一方、クランプレバー１２を形成する長手スリット１３は、径方向ｙへ延びている。

クランプギャップ１１の形状も、図２から比較的明らかにわかる。 したがって、クランプ溝１１ａがクランプギャップ１１の範囲におけるマグネットヨーク２の磁極脚部２ａへ取り付けられており、このクランプ溝内には引張要素１０のクランプ端部１０ｂが収容されているとともに、したがって径方向ｙへの外側への旋回に対して保護されている。 クランプ溝１１ａには引張部材１０のクランプ端部１０ｂが介在した状態でクランプ凸部１１ｂが係合し、このクランプ凸部１１ｂは、クランプレバー１２において、及びここでクランプレバーのクランプアームｂの自由端に形成されている。

図３〜図６には、本発明によるリレー１の好ましい実施形態が様々な斜視図（図３及び図４）及び異なって詳細化された分解図（図５及び図６）において示されている。

図３からは、クランプギャップ１１に収容されつつそのクランプ端部１０ｄにおいてクランプされた引張要素１０が比較的明確に認識できる。 さらに、磁極脚部２ａにリベット留めされつつリレーコイルあるいは励磁巻線７を貫通してヘッド部１７（図６）と共にアーマチュア側においてコイル本体部又はコイル支持部１８で支持された（図４）マグネットコア８が認識できる。

ピエゾアクチュエータ９の特に機能的かつ省スペース的な配置のために、Ｕ字状の収容ポケット部１９がマグネットヨーク２の機能脚部２ｂに取り付けられている。 この収容ポケット部の互いに平行なＵ字状脚部１９ａ及び１９ｂは、磁極脚部２ａの（上側の）クランプ脚部１２あるいは（下側の）支持脚部１６へ移行している。

ピエゾアクチュエータ９は接点要素２０ａ，２０ｂと接触しており、これら接点要素は、その側で、リレー制御のための電子機器２１に接続されている。 この電子機器２１には接点要素２２ａ，２２ｂも接続されており、これら接点要素は、不図示の形態でリレーコイル７の巻線端部に接触している。 これら接点要素２２ａ，２２ｂは、図６から明らかなように、コイル本体部１８に固定されている。 加えて、電子機器２１は、図６に示されているように、制御ポート２３ａ，２３ｂに接続されている。

図４及び図６から比較的明らかにわかるように、可動接点５はバネ接点として構成されている。 このために、Ｌ字状のバネ要素２４はマグネットヨークの機能脚部２ｂに保持されたバネ脚部２４ａ及び他のバネ脚部２４ｂを備えており、この他のバネ脚部は、クラッパー形アーマチュア４におけるリレーコイル７とは反対側の外側へ案内されるとともに、そこでこのクラッパー形アーマチュアに結合されている。 バネ要素２４と、したがってバネ接点あるいは可動接点５とはｘ方向へクラッパー形アーマチュア４に対して復帰力Ｆ _Ｒを生じさせ、その結果、リレーコイル７が非通電であり、かつ、ピエゾアクチュエータ９が無電圧であり、したがってクランプギャップ１が開放されている場合に、クラッパー形アーマチュアは支持されつつ適切なバネ力によって傾斜する。

リレー１に図示され、及び記載された構成要素及び部材は、ケーシング台２５へあるいはケーシング台２５上に取り付けられる。 このケーシング台は、取付完了状態において、ケーシングキャップ２６によって好ましくは汚れ及び湿気に対して密にシールされている。 断面において略正方形状のケーシング台２５から、底部側で固定接点６ａ（常閉接点）あるいは６ｂ（常開接点）の接点接続部Ｋ _１ ，Ｋ _２ （常開接点接続部あるいは常閉接点接続部）、電子機器２１の少なくとも１つの接点接続部Ｋ _３ （制御ポート２３ａ及び／又は２３ｂ）、リレーコイル７の少なくとも１つの接点接続部Ｋ _４ （コイル接点接続部）及び可動接点又は切換接点あるいはスイッチオーバー接点５の接点接続部Ｋ _５ （切換接点接続部）が導出されている。

図７には、本発明による電磁式ピエゾリレー１の回路図が示されている。 例えば燃料ポンプ又は電動モーターである負荷２８が正極と負極の間の常開接点６ｂと直列に接続される、あるいは供給電圧Ｕ _Ｖが接続される切換電流回路又は切換電流パス２７は、リレー１の制御回路あるいは制御パス２９とは分離されて直流式に切り換えられる。 図４においては電磁リレー１がオン状態（ＯＮ）で示されている一方、図７においてはオフ状態（ＯＦＦ）が示されている。

電子機器２１には制御電圧Ｕ _Ｓが供給され、この制御電圧は、原動機付き車両においてそのオンボード電圧から得られるものである。 制御電圧Ｕ _Ｓの損失時にクランプギャップ１１における引張要素１０のクランプを確実に解除するために、ピエゾアクチュエータ９にはオーム抵抗Ｒが電気的に並列に接続されている。 このようなエラー時には、可動接点５が、図示の閉鎖状態あるいは動作状態から切換接点６ｂにおける接触を伴う安全な切換状態へと移行する。

本発明は、上述の実施例に制限されるものではない。 むしろ、本発明の対象から逸脱することなく、本発明の他のバリエーションが当業者によって導出され得る。 さらに、特に実施例に関連して説明した全ての特徴は、本発明の対象を逸脱することなく、他の形態で互いに組み合わされることが可能である。

１ リレー ２ マグネットヨーク ２ａ 磁極脚部 ２ｂ 機能脚部 ３ 回転軸 ４ クラッパー形アーマチュア ５ 可動接点 ６ａ 常開接点 ６ｂ 常閉接点 ７ リレーコイル ８ マグネットコア ９ ピエゾアクチュエータ １０ 引張要素 １０ａ バネ端部 １０ｂ クランプ端部 １０ｄ クランプ端部 １１ クランプギャップ １１ａ クランプ溝 １１ｂ クランプ凸部 １２ クランプレバー １３ 長手スリット １４ 材料ウェブ １５ 回転軸／回転箇所 １６ 支持脚部 １８ コイル本体部 １９ 収容ポケット部 １９ａ Ｕ字状脚部 １９ｂ Ｕ字状脚部 ２０ａ 接点要素 ２０ｂ 接点要素 ２１ 電子機器 ２２ａ 接点要素 ２２ｂ 接点要素 ２３ａ 制御ポート ２３ｂ 制御ポート ２４ バネ要素 ２４ａ バネ脚部 ２４ｂ バネ脚部 ２５ ケーシング台 ２６ ケーシングキャップ ２７ 切換電流回路／切換電流パス ２８ 負荷 ２９ 制御回路／制御パス ａ レバーアーム ｂ クランプアーム ｈ アクチュエータ高さ Ｆ _Ｋクランプ力 Ｆ _Ｒバネ復帰力 Ｋ _１常開接点接続部 Ｋ _２常閉接点接続部 Ｋ _３コイル接点接続部 Ｋ _４コイル接点接続部 Ｋ _５切換接点接続部 Ｕ _Ｓ制御電圧 Ｕ _Ｖ供給電圧 ｘ 軸方向 ｙ 径方向