Electromagnetic relay

本発明は、電気自動車におけるモータ駆動制御回路を始めとして、各種電気機器の制御回路に用いて有効な電磁リレーに関する。

従来の電磁リレーの中には、例えば、特許文献１に示されているように、可動鉄芯に永久磁石を付設して、動作時の消費電力の低減化と、可動鉄芯の復帰動作の向上とを図った有極電磁リレーが知られている。

電磁リレーにあっては、そのオフ作動時に復帰ばねのばね力によって可動鉄芯を復帰動作させるため、可動鉄芯がヨーク端板に衝接して、不快な音・振動が不可避的に生じる。

従って、特許文献１の開示技術のように、可動鉄芯の復帰動作を俊敏にさせた場合、この傾向が顕著となってしまうことは否めない。

そこで、本発明はオン，オフ時の作動特性に影響を及ぼすことなく、オフ時における音・振動を小さく抑制することが可能な電磁リレーを提供するものである。

本発明の電磁リレーにあっては、通電により磁力を発生して固定鉄芯と可動鉄芯とを磁化させる鉄芯磁化コイルとは別に、復帰ばねによる可動鉄芯の復帰先に、磁気反発力発生用コイルを備えている。 この磁気反発力発生用コイルは、復帰ばねによる可動鉄芯の開離移動時に、少なくとも可動接点が固定接点から僅かに離間したアーク領域を通過し終えた移動位置から、復帰ばねが伸び切る直前の移動位置に至る過程で、可動鉄芯の残留磁界と逆方向の磁界を発生可能としたことを主要な特徴としている。

本発明の電磁リレーによれば、オフ時には、可動鉄芯は復帰ばねのばね力により固定鉄芯から速やかに開離移動して接点をオフにする。 この可動鉄芯の開離移動過程で、磁気反発力発生用コイルの発生磁界によって、可動鉄芯の残留磁気に対する磁気反発力が発生して可動鉄芯の制動作用が得られるため、ヨーク端板との衝接による音・振動は小さく抑制される。

従って、可動鉄芯の磁化質量や復帰ばねのばね力を低減化する必要がないため、オン，オフ時の作動特性に影響を及ぼすことなく、オフ時における音・振動の抑制効果を得ることができる。

本発明に係る電磁リレーの第１実施形態を、非作動状態（ａ）と、オン作動時のコンデンサ充電過程（ｂ）〜（ｄ）とで、断面構造とリレー駆動回路とを併記して略示的に示す説明図。

第１実施形態の電磁リレーを、オン作動状態からオフ作動したときのコンデンサ放電過程（ａ）〜（ｃ）と、非作動状態に移行した状態（ｄ）とで、断面構造とリレー駆動回路とを併記して略示的に示す説明図。

本発明に係る電磁リレーの第２実施形態を、非作動状態（ａ）と、オン作動時（ｂ）と、オフ作動時（ｃ）とで、断面構造とリレー駆動回路とを併記して略示的に示す説明図。

以下、本発明の実施形態を図面と共に詳述する。

図１，２に示す第１実施形態の電磁リレー１は、鉄芯磁化コイル２、鉄芯磁化コイル２の励磁により磁化される固定鉄芯３と可動鉄芯４、可動鉄芯４に連結した可動接点５、可動接点５に対向する固定接点６、および固定鉄芯３と可動鉄芯４との間に弾装した復帰ばね７と、を備えている。

鉄芯磁化コイル２は、ヨーク８に内装したボビン９に巻装され、ボビン９の内径側には鉄芯ケース１０を嵌装配置してある。

鉄芯ケース１０は有底筒状に形成してあって、開放側端部をヨーク８の上部端板に接合してあり、その上端部内に固定鉄芯３を配設してある。

可動鉄芯４は、鉄芯ケース１０内で固定鉄芯３の下方に上下方向に摺動可能に配置して、固定鉄芯３と軸方向に対向して接・離可能としてある。

固定鉄芯３と可動鉄芯４の各対向面中央部に座ぐり部を形成してあって、復帰ばね７はこれらの座ぐり部間に弾装固定してある。

可動鉄芯４の中心部にはロッド１１を一体に立設してある。 ロッド１１は固定鉄芯３の中心部およびヨーク８の上部端板を貫通し、該上部端板に固設したシールドケース１２内に突出している。

固定接点６は、シールドケース１２の上壁を上下方向に貫通して配設してある。 一方、可動接点５は、シールドケース１２内において、ロッド１１の上端部に接点圧付加ばね１３により弾性支持して配設してある。

具体的には、可動接点５は、ロッド１１の上端末のストッパー１４と、接点圧付加ばね１３とにより上下方向に可動的に弾性挟持され、接点圧付加ばね１３はロッド１１に設けたスプリングシート１５と可動接点５との間に弾装してある。

ここで、上述のように構成された電磁リレー１は、通電により鉄芯磁化コイル２に磁力が発生すると、固定鉄芯３と可動鉄芯４が磁化され、互いに引き合うことで可動鉄芯４と一体に可動接点５が軸方向移動し、固定接点６と接触して所要の回路を接続する。

通電停止により鉄芯磁化コイル２が消磁すると、固定鉄芯３と可動鉄芯４の磁化が解消され、復帰ばね７のばね力により両鉄芯３，４が開離することで、可動鉄芯４と一体に可動接点５が軸方向移動し、固定接点６から開離して前記回路を切断する。

電磁リレー１がオン状態にあるとき、外力により可動接点５が固定接点６から瞬間的に僅かに離れた領域Ｓに存在する際、接点５と６との間にアーク電流が発生して、再接触したときに接点５，６が溶着してしまうことがある。 以下、この領域Ｓをアーク領域と云う。

また、電磁リレー１をオフにして前記回路を切断したいとき、接点５と６の開離が速やかに行われないと、やはりアーク領域Ｓにおいて接点５，６間にアーク電流が発生することがあり、反応よく回路を切断できなくなる。

つまり、接点５，６がオン状態であれば、これを維持するために、固定鉄芯３と可動鉄芯４は強く引き合うことが求められ、そこから接点５，６をオフにするには、固定鉄芯３と可動鉄芯４は速やかに開離することが求められる。

一方、上述の接点５，６のオフ動作の際に、可動鉄芯４に付随したロッド１１のスプリングシート１５がヨーク８の上部端板と衝接し、振動が発生する。 電磁リレー１が、例えば、電気自動車のモータ駆動制御回路に用いられている場合、この振動が車体に伝わり、大き過ぎると乗員が不快に感じる場合がある。 ヨーク８の上部端板には、スプリングシート１５が衝接する部位にゴムダンパ（緩衝体）１６を設置しているが、衝撃を完全に吸収するほどではない。 また、ゴムダンパ１６は劣化や温度環境により弾性係数の変動度合いが大きいため、安定した緩衝性能は期待できない。

この解決方法として、可動鉄芯４の磁化部分を小さくすることや、復帰ばね７のばね力を弱くすることが考えられる。 しかし、可動鉄芯４を小型化すると、磁化された鉄芯の磁力が弱くなり、接点５，６のオン状態を維持するための接点圧力が不十分となる。 また、復帰ばね７のばね力を弱くすると、接点５，６のオフ動作の際に可動鉄芯４を開離させる力が小さくなるため、速やかに開離させることができなくなる。

そこで、本実施形態にあっては、電磁リレー１のオフ時に復帰ばね７により開離移動する可動鉄芯４の復帰先に、該可動鉄芯４の復帰動作に制動を与える磁気反発力を発生させるための磁気反発力発生用コイル１７を配設してある。

電磁リレー１をオフにした際に、鉄芯磁化コイル２が消磁しても、固定鉄芯３および可動鉄芯４には一時的に残留磁気が存在する。

従って、可動鉄芯４が開離移動する際に、磁気反発力発生用コイル１７により可動鉄芯４の残留磁界と逆方向の磁界を発生させることにより、可動鉄芯４の磁気に反発する磁気反発力が生じ、可動鉄芯４の復帰動作の制動が可能となる。

この磁気反発力は、可動鉄芯４が固定鉄芯３から開離してから、復帰ばね７が伸び切る直前の移動位置に至る過程で、可動鉄芯４の復帰先に生じさせることにより、その復帰動作を効果的に制動することが可能となる。

一方、電磁リレー１のオフ時には、前述の理由により可動接点５が固定接点６から離れてアーク領域Ｓを通過し終えるまでは、該可動接点５が俊敏に開離移動することが好ましい。

従って、磁気反発力発生用コイル１７は、可動鉄芯４が開離移動する際に、少なくとも可動接点５がアーク領域Ｓを通過し終えた移動位置から、復帰ばね７が伸び切る直前の移動位置に至る過程で、可動鉄芯４の残留磁界と逆方向の磁界を発生させることが好ましい。

本実施形態では、磁気反発力発生用コイル１７を、可動鉄芯４の復帰先となるボビン９の下端部に、鉄芯磁化コイル２と逆巻きに巻回配置してある。

図１，図２に示す例では、磁気反発力発生用コイル１７を、鉄芯磁化コイル２の外周に重畳巻装しているが、鉄芯磁化コイル２と同列に巻装することも可能である。

この磁気反発力発生用コイル１７は所定の容量のコンデンサ１８と並列に接続してあり、この並列回路を鉄芯磁化コイル２と直列に接続して、リレー駆動回路１Ａを構成している。

以上の構成からなる第１実施形態の電磁リレー１にあっては、非作動時には図１（ａ）に示すように可動鉄芯４は、スプリングシート１５とヨーク８の上部端板との係止によって下動が規制されたイニシャル位置にある。

この非作動状態からリレー駆動回路１Ａに通電すると、鉄芯磁化コイル２が励磁されて図１（ｂ）に矢印ａで示す方向に磁界が発生し、固定鉄芯３と可動鉄芯４が磁化される。

固定鉄芯３と可動鉄芯４が磁化することによって互いに吸引し合って、可動鉄芯４が図１（ｃ）に示すように復帰ばね７を圧縮しながら上方へ軸方向移動する。

可動鉄芯４が固定鉄芯３側に向けて上方へ所定量軸方向移動すると、可動接点５が固定接点６に接触し、続いて、可動鉄芯４が固定鉄芯３に吸着すると、図１（ｄ）に示すように接点圧付加ばね１３を圧縮して可動接点５と固定接点６とに所定の接点圧力を付加する。

図１の（ｂ）〜（ｄ）に示すリレー駆動回路１Ａの通電時には、並列回路の部分では磁気反発力発生用コイル１７に電流が流れると共に、コンデンサ１８に充電される。

磁気反発力発生用コイル１７は、鉄芯磁化コイル２と逆巻きであるため、通電により図１の（ｂ）〜（ｄ）に矢印ｂで示すように磁界が発生し、この磁界ｂは鉄芯磁化コイル２により発生する磁界ａを妨げる方向に働く。 従って、この通電時には、２つのコイル２，１７によって形成される磁界が可動鉄芯４を固定鉄芯３と吸着する方向に移動させ、かつ、可動接点５が接点オン位置を維持するのに十分であるように、コイル２，１７の巻き数，コイル径を調整する。

図２は電磁リレー１をオン状態からオフにしたときの作動状態を示している。

図２（ａ）に示すように電磁リレー１がオン状態にあるときは、リレー駆動回路１Ａのコンデンサ１８は充電が完了した状態となっている。

このリレーオン状態から、リレー駆動回路１Ａの通電を停止すると、鉄芯磁化コイル２が消磁される一方、磁気反発力発生用コイル１７には図２（ｂ）に示すようにコンデンサ１８からの放電電流が流れる。 従って、磁気反発力発生用コイル１７には、可動鉄芯４の残留磁界と逆方向の磁界ｂが継続して発生する。

電磁リレー１のオフ初期では、可動鉄芯４の下方に離れた領域に前記磁界ｂが発生しているため、可動鉄芯４は磁界ｂによる磁気反発力の影響をさほど受けずに復帰ばね７のばね力によって速やかに固定鉄芯３から開離する。 従って、図２（ｃ）に示すように可動接点５が固定接点６から開離してアーク領域Ｓを通過し終える頃までは、該可動接点５の固定接点６からの開離動作は俊敏に行われる。

可動鉄芯４が、前記可動接点５がアーク領域Ｓを通過し終えた移動位置から、復帰ばね７が伸び切る直前の移動位置にまで開離移動して、該可動鉄芯４が前記磁界ｂの発生領域に近づくと、この磁界ｂによって可動鉄芯４の残留磁気と反発する磁力を受ける。

この磁気反発力により、復帰ばね７のばね力による可動鉄芯４の開離復帰動作が制動され、図２（ｄ）に示すスプリングシート１５がゴムダンパ１６に衝接して非作動状態に戻るときの衝撃が小さくなる。

このように、第１実施形態の電磁リレー１によれば、オフ時には、可動鉄芯４は復帰ばね７のばね力により固定鉄芯３から速やかに開離移動して接点５，６をオフにする。 この可動鉄芯４の開離移動過程で、磁気反発力発生用コイル１７による磁界ｂの発生によって、可動鉄芯４の残留磁気に対する磁気反発力が発生する。 これにより、可動鉄芯４の制動作用が得られ、スプリングシート１５とヨーク８の上部端板との衝接による音・振動は小さく抑制される。

従って、可動鉄芯４の磁化質量や復帰ばね７のばね力を低減化する必要がないため、電磁リレー１のオン，オフ時の作動特性に影響を及ぼすことなく、オフ時における音・振動の抑制効果を得ることができる。

また、本実施形態では鉄芯磁化コイル２とは逆巻きの磁気反発力発生用コイル１７とコンデンサ１８の並列回路を付加するのみで、特別な電気的制御を不要とするので、コスト的に有利に得ることができる。

図３は本発明の第２実施形態を示すもので、本実施形態にあっては、前記第１実施形態における鉄芯磁化コイル２の下端部を、コイル巻き方向を変えずに分割して、磁気反発力発生用コイル１７Ａとしている。

リレー駆動回路１Ａは、鉄芯磁化コイル２と磁気反発力発生用コイル１７Ａとを直列に接続し、それらの中間に適宜のスイッチング回路（図示省略）を結線して構成している。 即ち、電磁リレー１のオフ時には、スイッチング回路により磁気反発力発生用コイル１７Ａにのみ、リレーオン時とは逆方向に電流を流し、可動鉄芯４の残留磁界と逆方向の磁界を発生させるようにしている。

この第２実施形態の電磁リレー１にあっては、非作動時には図３（ａ）に示すように可動鉄芯４は、スプリングシート１５とヨーク８の上部端板との係止によって下動が規制されたイニシャル位置にある。

この非作動状態からリレー駆動回路１Ａに通電すると、図３（ｂ）に示すように鉄芯磁化コイル２と磁気反発力発生用コイル１７Ａに電流が流れ、両コイル２，１７Ａに矢印ａで示すように同一方向に磁界が発生する。

これにより、固定鉄芯３と可動鉄芯４が共に磁化されて相互に吸着し、可動接点５が固定接点６に接触すると共に接点圧付加ばね１３によって、所要の接点圧力が維持される。

このリレーオン状態から、リレー駆動回路１Ａの通電を停止すると、コイル２，１７Ａの消磁により固定鉄芯３と可動鉄芯４の磁化が解消される。 これにより、可動鉄芯４が復帰ばね７のばね力によって速やかに開離移動し、可動接点５の固定接点６からの開離動作が俊敏に行われる。

この可動鉄芯４の開離移動過程で、前記スイッチング回路により磁気反発力発生用コイル１７Ａにのみリレーオン時とは逆方向に電流を流すと、磁気反発力発生用コイル１７Ａ
に図３（ｃ）に矢印ｂで示すように可動鉄芯４の残留磁界と逆方向の磁界が発生する。

スイッチング回路による磁気反発力発生用コイル１７Ａへの通電開始は、例えば、可動接点５がアーク領域Ｓを通過し終えた可動鉄芯４の開離移動位置から、復帰ばね７が伸び切る直前にまで可動鉄芯４が軸方向移動するまでの間に行われる。

これにより、復帰ばね７が伸び切る直前で、磁界ｂによって可動鉄芯４は残留磁気と反発する磁力を受けて開離復帰動作が制動され、スプリングシート１５がゴムダンパ１６に衝接して非作動状態に戻るときの衝撃が小さくなる。

従って、本実施形態にあっても第１実施形態と同様に、電磁リレー１のオン，オフ時の作動特性に影響を及ぼすことなく、オフ時における音・振動の抑制効果を得ることができる。

特に、本実施形態では磁気反発力発生用コイル１７Ａを、鉄芯磁化コイル２の一部を分割して構成しているので、追加コイルを不要として励磁コイルの構成を簡単にすることができる。

また、スイッチング回路により磁気反発力発生用コイル１７Ａに通電する電流値、通電開始時期、通電時間等を任意に調整できて、可動鉄芯４の適切な制動効果を得ることができる。

１…電磁リレー１Ａ…リレー駆動回路２…鉄芯磁化コイル３…固定鉄芯４…可動鉄芯５…可動接点６…固定接点７…復帰ばね１７，１７Ａ…磁気反発力発生用コイル１８…コンデンサａ…リレーオン時の発生磁界ｂ…リレーオフ時の反発磁界Ｓ…アーク領域