Electromagnetic switch

本発明は、電磁リレーなどの電磁開閉装置に関する。

従来の電磁開閉装置として、例えば、特許文献１に記載されているものがある。 特許文献１記載の電磁開閉装置は、合成樹脂製のケース内にリレーユニット(電磁リレー)が収納され、リレーユニットの接点に接続される一対の主端子と、リレーユニットの電磁石用コイルに接続される一対のコイル端子とがケースに突設されている。 そして、一対の主端子が電源から負荷への給電路に接続され、一対のコイル端子間に励磁電流が流れているときにリレーユニット(電磁開閉装置)がオンし、コイル端子間に励磁電流が流れていないときにリレーユニット(電磁開閉装置)がオフする。 すなわち、電磁開閉装置がオンすることで電源から負荷への給電路が閉成され、電磁開閉装置がオフすることで当該給電路が開成される。

ところで、上述のような電磁開閉装置では、接点(固定接点及び可動接点)の表面が酸化して導通しなくなったり、あるいはアークの影響で固定接点と可動接点が溶着することがある。 しかしながら、従来は電磁開閉装置を搭載する機器が、上述のような電磁開閉装置に発生する種々の異常を検出しなければならなかった。

本発明は、上記課題に鑑みて為されたものであり、異常の有無を自己診断して外部に通知することを目的とする。

本発明の電磁開閉装置は、外部からの指令に応じて接点を開閉する電磁開閉装置であって、前記接点の開閉状態を検出する検出手段と、当該検出手段が検出する前記接点の開閉状態と前記指令に対応した当該接点の開閉状態とに基づいて異常の有無を判断する判断手段と、当該判断手段の判断結果を外部に出力する出力手段とを備えることを特徴とする。

この電磁開閉装置において、前記判断手段は、前記接点を閉極する指令が外部から与えられたときに、前記検出手段が検出する前記接点の状態が開極状態である場合に当該接点に接触不良が生じていると判断することが好ましい。

この電磁開閉装置において、前記判断手段は、前記接点を開極する指令が外部から与えられたときに、前記検出手段が検出する前記接点の状態が閉極状態である場合に当該接点に接点溶着が生じていると判断することが好ましい。

この電磁開閉装置において、前記出力部は、前記判断結果として前記異常の種類を示す信号を出力することが好ましい。

この電磁開閉装置において、前記接点の開閉と連動する補助接点を備え、前記検出手段は、当該補助接点の開閉状態に基づいて前記接点の開閉状態を検出することが好ましい。

この電磁開閉装置において、前記接点は、固定接点と可動接点からなり、電磁力を利用して前記可動接点を前記固定接点に接離させる電磁石を備え、前記検出手段は、当該電磁石の励磁に伴ってインピーダンスが変化する検出コイルを有し、当該検出コイルのインピーダンスの変化に基づいて前記接点の開閉を検出することが好ましい。

この電磁開閉装置において、前記接点は、固定接点と可動接点からなり、当該可動接点を変位させる変位手段を備え、前記検出手段は、前記変位手段による前記可動接点の変位に基づいて前記接点の開閉状態を検出することが好ましい。

この電磁開閉装置において、前記検出手段は、前記接点に印加される電圧に基づいて前記接点の開閉状態を検出することが好ましい。

本発明の電磁開閉装置は、異常の有無を自己診断して外部に通知することができるという効果がある。

(ａ)，(ｂ)は本発明の実施形態１を示すブロック図である。

同上における異常判断部の回路図である。

(ａ)〜(ｃ)は異常判断部６の判断処理を説明するためのタイムチャートである。

(ａ)，(ｂ)は同上の一部省略した断面図である。

同上における異常検出信号の説明図である。

(ａ)〜(ｃ)は同上の他の構成を示す一部省略した断面図である。

(ａ)，(ｂ)は本発明の実施形態２を示す一部省略した断面図である。

同上の他の構成を示す一部省略した断面図である。

同上における検出部の動作説明図である。

(ａ)〜(ｃ)は本発明の実施形態３を示す一部省略した断面図である。

本発明の実施形態４を示し、(ａ)は検出部のブロック図、(ｂ)は検出部の動作説明図である。

(実施形態１)
本実施形態の電磁開閉装置A1は、図１(ａ)に示すように接点部１、駆動部２、制御部３、入力部４、検出部５、異常判断部６、記憶部７、出力部８などを備える。 接点部１は、電路100の途中に挿入される２つの固定接点10と、固定接点10に接離する可動接点(可動子)11とを有する。 すなわち、２つの固定接点10と可動接点11が接触しているときに接点部１が閉極して電路100が導通し、２つの固定接点10と可動接点11が接触していないときに接点部１が開極して電路100が非導通となる。

図４(ａ)に本実施形態の電磁開閉装置A1の一部省略した断面図を示す。 ただし、以下の説明では、図４(ａ)において上下左右の各方向を定める。

固定接点10は円柱形状の固定端子10Aの先端(下端)に設けられている。 可動接点11は銅又は銅合金からなる矩形平板状に形成され、長手方向(左右方向)の中央部で可動軸21に支持されている。 また、固定接点10並びに可動接点11は、下面が開口する箱形に形成されたセラミックス製の封止容器12内に収納されており、封止容器12の底壁を一対の固定端子10Aが貫通している。

駆動部２は、励磁コイル20、可動軸21、固定鉄心22、可動鉄心23、キャップ24、継鉄25，26などで構成されている。 キャップ24は、非磁性材料によって有底円筒形状に形成され、内部の底(下)側に可動鉄心23が収納され、開口(上)側に固定鉄心22が収納且つ固定されている。 可動軸21は、固定鉄心22を移動自在に貫通するとともに下端部分に可動鉄心23が固定されている。 なお、図示は省略しているが、固定鉄心22と可動鉄心23との間には、可動鉄心23を固定鉄心22から離す向き(下向き)に弾性付勢する復帰ばねが配設されている。 また、固定鉄心22と可動接点11との間には、可動接点11を固定接点10に近付く向き(上向き)に弾性付勢する接圧ばね(図示せず)が配設されている。 キャップ24の外側に絶縁材料製のコイルボビン(図示せず)が設けられ、当該コイルボビンに励磁コイル20が巻設されている。 そして、励磁コイル20の外側に継鉄25，26が配設され、励磁コイル20と継鉄25，26とで磁気回路が形成されている。 一方の継鉄26は平板状に形成され、励磁コイル20と封止容器12の間に配置されている。

而して、励磁コイル20に励磁電流が流れていない状態では、復帰ばねに弾性付勢された可動鉄心23が下向きに変位(移動)することで可動軸21及び可動接点11も下向きに変位する。 その結果、可動接点11が固定接点10から離れて接点部１が開極する。 一方、励磁コイル20に励磁電流が流れると、固定鉄心22と可動鉄心23との間に作用する電磁力で可動鉄心23が固定鉄心22に近付く向き(上向き)に変位するので、可動軸21及び可動接点11も上向きに変位する。 その結果、可動接点11が固定接点10に接触して接点部１が閉極する。 すなわち、励磁コイル20と固定鉄心22で電磁石が構成されており、この電磁石の電磁力によって可動鉄心23が変位するのである。

制御部３は、外部から入力部４に入力される制御信号に応じて駆動部２を制御する。 すなわち、入力部４に接点オンの制御信号が入力されれば、制御部３は駆動部２の励磁コイル20に励磁電流を流して接点部１を閉極させ、入力部４に接点オフの制御信号が入力されれば、制御部３は励磁コイル20に流す励磁電流を停止して接点部１を開極させる。 なお、制御信号はハイレベルとローレベルに切り換わる直流電圧信号であり、ハイレベルが接点オン、ローレベルが接点オフにそれぞれ対応する(図３参照)。

検出部５は、接点(接点部１)の開閉状態を検出するものであって、接点部１の開閉に連動して開閉する補助接点50の開閉状態に基づいて接点部１の開閉状態を検出する。 なお、接点部１の開閉状態の検出結果は、閉極(オン)状態のときにハイレベルとなり、開極(オフ)状態のローレベルとなる直流電圧信号(以下、接点検出信号と呼ぶ。)として異常判断部６に出力される。

補助接点50は、図４(ａ)に示すようにキャップ24の下方に配置されたリードスイッチからなり、可動鉄心23の下面に取り付けられている永久磁石51の磁力でオンされる。 すなわち、接点部１が開極しているときは可動鉄心23がキャップ24の底(下)側に位置するために永久磁石51の磁力でリードスイッチ(補助接点50)がオンになる。 しかしながら、接点部１が閉極しているときは可動鉄心23がキャップ24の開口(上)側に位置するため、永久磁石51の磁力が及び難くなることでリードスイッチ(補助接点50)がオフとなる。 ただし、図４(ｂ)に示すように補助接点50がキャップ24の側面に配置されても構わない。 この場合、可動鉄心23の底面に設けられた支持部材52の先端(下端)に永久磁石51が取り付けられる。

異常判断部６は、制御信号と接点検出信号を比較し、両信号が何れもハイレベル(閉極状態)又はローレベル(開極状態)のときは異常なしと判断し、両信号の一方がハイレベル且つ他方がローレベルのときは異常有りと判断する。 そして、異常判断部６の判断結果は制御部３に出力される。 制御部３は、異常判断部６の判断結果が異常なしであれば、出力部８からハイレベルの異常検出信号を出力させ、判断結果が異常有りであれば、出力部８からローレベルの異常検出信号を出力させる。 なお、制御部３と入力部４と異常判断部６と記憶部７と出力部８とは、それぞれが別々のハードウェア(回路)で実現されてもよいし、１つのマイクロコンピュータ及び種々のソフトウェアで実現されてもよい。

ここで、入力部４に制御信号が入力されてから、駆動部２が接点部１を駆動して接点部１の開閉状態が切り換わるまでにはある程度の時間が必要となる。 電磁リレー(電磁開閉装置)においては、通常、接点が閉極するときに要する前記時間が動作時間と呼ばれ、接点が開極するときに要する前記時間が復帰時間と呼ばれる。 つまり、動作時間や復帰時間が経過する前に、異常判断部６が制御信号と接点検出信号を比較してしまうと、異常の有無を誤判断してしまう虞がある。 したがって、動作時間や復帰時間が経過するまでの間、異常判断部６が異常の有無を判断しないことが望ましい。

そこで、本実施形態における異常判断部６は、図２に示すような排他的論理和回路60と論理和回路61とで構成され、異常有無の判断処理がマスク信号によって入・切されている。 排他的論理和回路60は、制御信号と接点検出信号の排他的論理和を反転(否定)して出力している。 論理和回路61は、排他的論理和回路60の出力信号とマスク信号の論理和を出力している。 マスク信号は制御部３から出力される信号であって、制御部３が異常判断部６に出力する制御信号のハイ・ローを切り換えてから、動作時間又は復帰時間よりも短くないマスク時間が経過するまでの間だけハイレベルになる直流電圧信号である。 なお、ここでは論理和回路61の出力(異常判断部６の判断結果)を、便宜上、異常検出信号と呼ぶ。

次に、図３(ａ)〜(ｃ)を参照して、異常判断部６の判断処理を詳しく説明する。 例えば、制御部３から異常判断部６に入力される制御信号が時刻t1にハイレベルに立ち上がれば、制御部３から論理和回路61に入力されるマスク信号も同時にハイレベルに立ち上がる。 そして、制御部３が駆動部２の励磁コイル20に励磁電流を流すことにより、異常がなければ、時刻t2に接点部１が閉極して検出部５の接点検出信号がハイレベルに立ち上がる(図３(ａ)参照)。 一方、異常が有ると接点部１が閉極しないので、時刻t2を過ぎても検出部５の接点検出信号がハイレベルに立ち上がらない(図３(ｂ)参照)。 なお、このような異常としては、固定接点10と可動接点11との間に絶縁性の異物が挟まっていること、あるいは接点部１に氷結が生じていること、何らかの原因で可動接点11が変位しないことなどが想定される。

しかしながら、時刻t2の時点ではマスク信号がハイレベルであるので、制御信号と接点検出信号の論理値が互いに相違していても論理和回路61の出力、すなわち、異常検出信号はハイレベル(正常)に維持される(図３(ｂ)参照)。

そして、時刻t3にマスク信号がローレベルに立ち下がると、制御信号と接点検出信号の論理値がハイレベルで一致していれば、異常検出信号はハイレベルに維持される(図３(ａ)参照)。 一方、制御信号がハイレベル、接点検出信号がローレベルというように互いの論理値が相違していれば、異常検出信号はローレベルに立ち下がる(図３(ｂ)参照)。

あるいは、図３(ｃ)に示すように制御部３から異常判断部６に入力される制御信号が時刻t1にローレベルに立ち下がれば、制御部３から論理和回路61に入力されるマスク信号が同時にハイレベルに立ち上がる。 そして、制御部３が駆動部２の励磁コイル20に流していた励磁電流を停止することにより、異常がなければ、時刻t2に接点部１が開極して検出部５の接点検出信号がローレベルに立ち下がる。 一方、溶着などの異常が有ると接点部１が開極しないので、時刻t2を過ぎても検出部５の接点検出信号がローレベルに立ち下がらない。 しかしながら、時刻t2の時点ではマスク信号がハイレベルであるので、制御信号と接点検出信号の論理値が互いに相違していても論理和回路61の出力、すなわち、異常検出信号はハイレベル(正常)に維持される そして、時刻t3にマスク信号がローレベルに立ち下がると、制御信号と接点検出信号の論理値がローレベルで一致していれば、異常検出信号はハイレベルに維持される。 一方、制御信号がローレベル、接点検出信号がハイレベルというように互いの論理値が相違していれば、異常検出信号はローレベルに立ち下がる。

上述のように本実施形態の電磁開閉装置A1は、接点部１の開閉状態を検出する検出部５と、検出部５が検出する接点部１の開閉状態と外部からの指令に対応した接点部１の開閉状態とに基づいて異常の有無を判断する異常判断部６と、異常判断部６の判断結果を外部に出力する出力部８とを備える。 したがって、本実施形態の電磁開閉装置A1は、異常の有無を自己診断して外部に通知することができる。 そのため、従来のように電磁開閉装置A1を搭載する機器が接点部１の異常を検出する必要が無く、電磁開閉装置A1の異常(故障)の監視が容易になる。

ここで、入力部４と出力部８の代わりに、図１(ｂ)に示すように制御部３と外部との通信をインタフェースするシリアル通信部９を電磁開閉装置A1が備えても構わない。 この場合、図５に示すように複数ビットの情報が外部に出力可能であるから、発生した異常の種類(接触不良や溶着など)毎に異なるビットを割り当てれば、外部の機器で異常(故障)の有無だけでなくその種類を特定することかできる。 例えば、異物等による接触不良の異常が発生していると推定されるときは先頭のビット(B0)を１とし、接点溶着の異常が発生していると推定されるときは２番目のビット(B1)を１とすればよい。

また、補助接点50はリードスイッチに限定されるものではない。 例えば、図６(ａ)に示すように、キャップ24の内底部に配置されるマイクロスイッチを補助接点50としてもよい。 この場合、接点部１が開極しているときに可動鉄心23がマイクロスイッチ(補助接点50)をオンし、接点部１が閉極しているときに可動鉄心23がマイクロスイッチ(補助接点50)をオフする。 あるいは、図６(ｂ)に示すように、キャップ24の内底部に並設される一対のばね接点を補助接点50としてもよい。 この場合、接点部１が開極しているときに可動鉄心23を介して一対のばね接点(補助接点50)がオンし、接点部１が閉極しているときに可動鉄心23を介して一対のばね接点(補助接点50)がオフする。 または、図６(ｃ)に示すように、キャップ24の内底部に配設される接点と継鉄26の上面に配設される接点とを補助接点50としてもよい。 この場合、接点部１が開極しているときは、継鉄26と固定鉄心22と可動鉄心23を介して一対の接点間に閉回路が形成されるために補助接点50がオンする。 一方、接点部１が閉極しているときは、前記閉回路が形成されないために補助接点50がオフする。

(実施形態２)
本実施形態の電磁開閉装置A2は基本的な構成が実施形態１と共通しているので、実施形態１と共通の構成要素に同一の符号を付して適宜図示及び説明を省略する。

本実施形態における検出部５は、図７(ａ)，(ｂ)に示すようにキャップ24の下端と対向する位置に検出コイル53が配設され、検出コイル53を含む電気回路の特性が可動鉄心23との距離に応じて変化することを利用して接点部１の開閉状態を検出している。

検出部５は、例えば、検出コイル53とコンデンサ(図示せず)との並列回路よりなるLC発振回路を有している。 LC発振回路を構成する検出コイル53に金属製の可動鉄心23が接近した際、電磁誘導作用による渦電流損が生じて検出コイル53の実効抵抗値(コンダクタンス)が変化する。 そして、検出コイル53のコンダクタンスが変化するとLC発振回路の発振条件も変化するため、LC発振回路を発振させている状態から、LC発振回路の発振が停止または発振振幅が所定値以上減衰することになる。 したがって、検出部５ではLC発振回路の発振が停止又は発振振幅が所定値以上減衰したことにより、可動鉄心23が接近している、つまり、接点部１が開極していると判定する(図７(ｂ)参照)。 一方、LC発振回路の発振が開始又は発振振幅が所定値以上増大すれば、検出部５は、可動鉄心23が接近していない、つまり、接点部１が閉極していると判定する(図７(ａ)参照)。 すなわち、検出部５は検出コイル53を含む電気回路(LC発振回路)の特性(発振の有無又は発振振幅の大きさ)に基づいて接点部１の開閉状態を検出することができる。

なお、図８に示すように検出コイル53が可動鉄心23の下方ではなく、可動鉄心23の側方(励磁コイル20の下方)に配設されても構わない。 あるいは、励磁コイル20に流れる励磁電流に高周波電流を重畳することで励磁コイル20を検出コイルに兼用しても構わない。

ところで、上述した検出方法では、検出部５の検出コイル53に連続して高周波電流を流さなければならないので、検出部５の電力消費が増大してしまう。 そこで、検出部５の電力消費の増大を抑えるためには、以下の検出方法を採用することが望ましい。

この検出方法では、検出コイル53のコンダクタンスとLC発振回路の時定数が比例しており、コンダクタンスが増加するにつれて時定数が大きくなることを利用する。 例えば、検出コイル53に定電圧が印加されたとき、検出コイル53の両端電圧Ｖの立ち上がり時間は、時定数が大きいほど遅くなる。

そこで、検出部５では、パルス電圧を周期的に検出コイル53に印加するとともに、検出コイル53の両端電圧Ｖが所定の基準値Ｖthを超えるまでの立ち上がり時間Ton，Toffを検出することにより、接点部１の開極と閉極を判別して開閉状態を検出することができる(図９参照)。 このような検出方法では、検出コイル53にパルス電圧(あるいはステップ電圧)を印加すればよいので、検出コイル53に連続して高周波電流を流す場合と比較して検出部５の電力消費の増大を抑えることができる。

(実施形態３)
本実施形態の電磁開閉装置A3は基本的な構成が実施形態１と共通しているので、実施形態１と共通の構成要素に同一の符号を付して適宜図示及び説明を省略する。

本実施形態における検出部５は、ホール素子を利用した磁気センサ55で可動鉄心23の変位を検出する。 例えば、図10(ａ)に示すように可動鉄心23の下面に取り付けられた永久磁石51の位置が、キャップ24の下方に配置された磁気センサ55で検出される。 あるいは、図10(ｂ)に示すように磁気センサ55がキャップ24の側面に配置されても構わない。 この場合、可動鉄心23の底面に設けられた支持部材52の先端(下端)に永久磁石51が取り付けられる。 または、図10(ｃ)に示すようにキャップ24の下方に磁気センサ55を配置するとともに、この磁気センサ55の下面に永久磁石51を取り付けてもよい。

(実施形態４)
本実施形態の電磁開閉装置A4は基本的な構成が実施形態１と共通しているので、実施形態１と共通の構成要素に同一の符号を付して適宜説明を省略する。

本実施形態における検出部５は、接点部１に印加される電圧(以下、接点間電圧と呼ぶ。)に基づいて接点部１の開閉状態を検出するものであって、図11(ａ)に示すように電圧検出部56、絶縁部57、電圧比較部58、基準電圧部59などを有している。

電圧検出部56は、例えば、一対の固定接点10間に接続される検出抵抗(図示せず)を有し、当該検出抵抗に生じる電圧降下によって接点間電圧を検出している。 電圧検出部56の検出結果(接点間電圧)は、フォトカプラなどで構成される絶縁部57を介して電圧比較部58に出力される。 ここで、接点部１が開極しているときは接点間電圧の絶対値が相対的に高い電圧値V1となり、接点部１が閉極しているときは接点間電圧の絶対値が相対的に低い電圧値(ゼロに近い電圧値)V0となる(図11(ｂ)参照)。 故に電圧比較部58では、電圧検出部56の検出結果(接点間電圧の絶対値)と、基準電圧部59から入力される基準電圧Vthとを比較し、接点間電圧の絶対値が基準電圧Vth未満であればハイレベルの接点検出信号を出力し、基準電圧Vth以上であればローレベルの接点検出信号を出力する。

本実施形態では、接点間電圧を検出するための抵抗の消費電力がごく僅かであるので、検出コイル53に高周波電流を流す実施形態２と比較して、検出部５の電力消費の増大を抑えることができる。

ところで、接点間電圧の検出に検出抵抗を利用する場合、電路100から検出抵抗への漏れ電流が生じてしまう。 このような漏れ電流の発生を回避するには、検出部５が、非接触で接点部１の接点間電圧を検出することが好ましい。 例えば、接点部１を介して電路100に電流が流れているときに接点部１の周囲に生じる磁界をホール素子で検出すればよい。 つまり、接点部１の周囲に生じる磁界の強さが流れる電流の大きさに比例し、且つ接点部１の接触抵抗が一定と仮定すると当該電流の大きさが接点間電圧に比例するので、磁界の強さに基づいて接点間電圧を間接的に検出することができる。

１ 接点部 ３ 制御部(出力手段)
５ 検出部(検出手段)
６ 異常判断部(判断手段)
８ 出力部(出力手段)