JP2005222870A - 直流リレー - Google Patents

Abstract

【課題】 簡易な構造で、小型化できながら短時間で複数対の接点対における直流を遮断できる直流リレーを提供する。
【解決手段】 一方が固定接点で、他方が可動接点である開閉可能な複数の接点対と、各接点対の開閉を行う単一のソレノイド（200）とを有する。このソレノイドの励磁コイルは、アンペア・ターンの可変機構を有する。この可変機構の具体例としては、励磁コイル250を複数のサブコイル（第一コイル251、第二コイル252）に分割し、各サブコイルのみ或いは両サブコイルを励磁することで、ソレノイドの駆動軸210の駆動力を可変にする。
【選択図】 図１

Description

本発明は直流リレーに関するものである。特に、複数のリレー部を小型の構成にて開閉可能な直流リレーに関するものである。

近年、環境問題からハイブリッド自動車や燃料電池自動車のような高電圧（約300V）の自動車が開発されてきている。これらの自動車は、直流高電圧の主電池と高電圧回路からなる制御回路を具えている。また、主電池は直流高電圧であるため、事故時などには主電池を制御回路から切り離す必要があり、主電池と制御回路との間にはメカニカル接点の直流リレーを具える。

その一例を図11に示す。このハイブリッド自動車の電源回路は、主電池10からの直流をインバータ20を介して交流に変換してモータ30に供給している。ここで、主電池10とインバータ20との間には、予備充電リレー部41、プラス側メインリレー部42、マイナス側メインリレー部43の合計３つのリレー部が設けられている。車両のイグニッションキーをオンにすると、マイナス側メインリレー部43、予備充電リレー部41の順にオンし、コンデンサ50の充電が始まる。このとき、電流制限用のレジスタ60によって大きな突入電流が流れるのを制限している。コンデンサ50が充電された後、プラス側メインリレー部42がオンし、モータ30のドライブ回路に給電が開始され、予備充電リレー部41がオフされる。イグニッションキーをオフしたときには、プラス側メインリレー部42、マイナス側メインリレー部43がオフされ、主電池10とインバータ20間の通電が遮断される。

これらのリレー部には、単体のリレー部を３つ用いて、または３つの単体のリレー部をユニット化したものが搭載されている。各リレー部は、開閉可能な接点対を開くことで直流高電圧を遮断するが、そのときに発生するアークが非常に大きくなることから、遮断速度が非常に遅く、短時間で遮断するのは非常に難しい。

そこで、従来では、アーク発生部に磁石を設置してローレンツ力によりアークを引き伸ばす構造（例えば特許文献1参照。）がある。また、水素などの冷却効果の大きい気体をアーク発生部に封入してアークの発生を抑える構造（例えば特許文献２参照。）もある。さらに、磁石とアークの発生を抑える気体とを併用する場合もある（例えば特許文献1参照。）。

特開平８−２０３３６８号公報（図１） 特開平９−３２０４１１号公報

しかし、従来のリレーでは小型化することが非常に難しいという問題があった。

（１）３つのリレー部を含むリレー全体の構造を小型化することが難しい。
各リレー部には、接点対の開閉を行う駆動機構が必要となる。通常、駆動機構にはソレノイドが用いられているが、ソレノイドは各リレー部においてかなりの体積を占める。そのため、３つのリレー部を用いるには３つのソレノイドが必要となり、リレー全体のサイズが大型化する原因となっている。

（２）各リレー部の構造を小型化することも難しい。
特許文献１に示すように、アーク発生部に磁石を設置して、磁界の作用によりアークを引き伸ばす場合、リレー部の即時遮断に必要なアークの引き伸ばし量を確保する必要がある。そのため、アークを引き伸ばす空間を確保すると共に、そのアーク引き伸ばし量に見合った磁力を有する磁石を配置しなければならない。その結果、各リレー部が大型化してしまう問題がある。

一方、特許文献２に示すように、水素などの気体でアークの発生を抑制する構造とする場合には、ケース内に完全に気体が封じられた気密構造とする必要がある。その上、アークに対する耐熱性を上げるためには、ケースの厚みを大きくとる必要があり、その結果、ケースのサイズが大きくなる。

このように、従来のリレーでは、遮断特性を落とすことなく、自動車という限られたスペースに搭載可能な小型化を実現することは非常に困難であった。

従って、本発明の主目的は、簡易な構造で、小型化できながら短時間で直流を遮断できる直流リレーを提供することにある。

本発明は、複数の接点対を一つのソレノイドで開閉し、そのソレノイドの励磁コイルのアンペア・ターンを可変にすることで上記の目的を達成する。

本発明直流リレ―は、励磁コイルを励磁することで駆動軸を進退させるソレノイドと、この駆動軸の進退により開閉される複数の接点対とを有する直流リレーであって、前記励磁コイルのアンペア・ターンの可変機構を有することを特徴とする。

このリレーでは、単一のソレノイドに対して、複数対の接点対を有している。各接点対は、代表的には、一方を固定接点とし、他方を可動接点とする。これら複数対の接点対は、各々が開閉可能に構成されるため、接点対の各々がリレー部として機能する。その結果、単一のソレノイドにより複数のリレー部の開閉を行なうことができ、複数の接点対を有するリレー全体としてのサイズを小型化できる。

複数の接点対の配列は、駆動軸の軸方向（進退方向）に配列しても良いし、駆動軸と直交する方向に配列しても良い。ソレノイドの駆動方向に複数の接点対を配列することで、複数の接点対を駆動軸と直交する方向に並列した場合に比べて、各接点対の開閉を安定して行なうことができる。例えば、駆動軸の進退方向（縦方向）に複数の接点対を配すれば、駆動軸の進退方向と直交する方向（横方向）に複数の接点対を配した場合に比べて、接点対と駆動軸との距離を小さくできる。そのため、駆動軸から各接点対までの間のたわみ等により可動接点と固定接点を閉じる際の押圧力に及ぼされる影響を小さくでき、かつ最小限のスペースで接点対を増加できる。特に、駆動軸から各接点対までの距離を同じにすれば、各接点対ごとの前記押圧力のバラツキを抑制でき、より安定した開閉を行なうことができる。

ソレノイドは、代表的には、励磁コイルと、同コイルの電磁力で駆動される可動鉄心（駆動軸）と、可動鉄心の駆動を規制する固定鉄心と、これらコイル、可動鉄心、固定鉄心を収納するフレームとを有し、励磁コイルを励磁して可動鉄心を電磁力により進退動作させることができる。このソレノイドの励磁コイルのアンペア・ターンを可変とすることで、駆動軸が進退する駆動を変化させ、各接点対を独立して或いは同期させて開閉制御することができる。

アンペア・ターンとは、励磁コイルに流れる電流と励磁コイルの巻数の積のことである。ソレノイドの機械的出力は、このアンペア・ターンに比例する。そのため、アンペア・ターンを変化させることができれば、連続的にまたは段階的に駆動軸の駆動力を変化させることができる。

例えば、一つのソレノイドで駆動軸の軸方向に配置された２つの接点対を開閉する場合、各接点対を構成する可動接点と固定接点の間隔や、可動接点を支持する弾性材の付勢力に加えて、駆動軸の軸方向への駆動力を変化させて適宜組み合わせることで、両接点対を時間差を持って開閉制御することができる。

〔アンペア・ターンの可変機構の構成〕
アンペア・ターンの可変機構の具体例には、以下の構成が挙げられる。

＜複数コイル型＞
励磁コイルを複数のサブコイルから構成する。そして、これらサブコイルの一部または全部を選択的に励磁できる第一切替手段を設ける。例えば、励磁コイルを第一コイルと第二コイルの２つの独立したサブコイルで構成する。この第一コイル、第二コイルを単独で励磁するか両方を第一切替手段で選択的に励磁することで、励磁されるコイルのターン数を変化させ、アンペア・ターンを変化させることができる。各サブコイルはターン数が異なることが好ましい。サブコイルのターン数を変えることで、「2ⁿ-1、n：サブコイルの数」通りのアンペア・ターンの変化を実現することができる。

各サブコイルは共通して接地されていることが好ましい。各サブコイルの一端側を共通して接地すれば、複数のサブコイルで一つの接地端子を共有でき、端子数を減少させることができる。

＜分岐端子型＞
励磁コイルの途中に分岐端子を設ける。そして、この励磁コイルの一端と他端の間、励磁コイルの一端と分岐端子の間または分岐端子と励磁コイルの他端の間を選択的に励磁できる第二切替手段を設ける。例えば、一連の励磁コイルの途中に分岐端子を設け、コイルの一端から分岐端子までを第一コイル、分岐端子からコイルの他端までを第二コイルとする。この第一コイル、第二コイルを単独で励磁するか両方を第二切替手段で選択的に励磁することで、励磁されるコイルのターン数を変化させ、アンペア・ターンを変化させることができる。第一コイルと第二コイルとは各ターン数が異なるように分岐端子を設けることが好ましい。第一・第二コイルのターン数を変えることで、３通りのアンペア・ターンの変化を実現することができる。

また、分岐端子には抵抗が接続されていることが望ましい。コイルの途中に分岐端子を設けると、コイルの端部から分岐端子まではコイル全体に比べて長さが短く、その間の抵抗が小さくなるため、同じ電圧を印加すると電流が流れすぎるおそれがある。そこで、分岐端子に抵抗を接続すれば、この過大な電流がコイルに流れることを抑制できる。

＜PWM制御型＞
励磁コイルにPWM（Pulse Width Modulation）回路を接続する。PWM回路は、パルス信号であるPWM信号を生成し、このPWM信号に基づいて励磁コイルにかける電流を制御する。具体的には、このパルス信号のH出力時間とL出力時間の比率（デューティーサイクル）を変えることでパルス幅を変化させ、励磁コイルにかける電流を制御する。その結果、励磁コイルのアンペア・ターンを変化させることができる。

＜変圧型＞
励磁コイルにDC-DCコンバータを接続する。DC-DCコンバータは直流電圧を可変することができる。このコンバータを介して励磁コイルに電力供給すれば、励磁コイルに印加される電圧を変化でき、それに伴って電流を変化させることでアンペア・ターンを変化させることができる。

＜可変抵抗型＞
励磁コイルに可変抵抗を接続する。可変抵抗を変化させることで、励磁コイルに流れる電流を変化させ、アンペア・ターンを制御することできる。

〔複数接点対の構成・配置〕
以上のソレノイドにより開閉される各接点対は、開閉可能な固定接点と入力接点とからなる。より具体的には、固定接点を２つとして、その一方を入力接点、他方を出力接点とし、可動接点は固定接点との間を閉じた際に入力接点と出力接点とを連結する構成とすることが挙げられる。この構成によれば、固定接点あるいは可動接点を多接点とすることができ、電圧を分圧してより一層短時間での遮断を行うことができる。

各接点対のうち、固定接点は、例えば後述するケースなどに支持して固定する。一方、可動接点は、ソレノイドの駆動軸に、間隔をあけて装着する構成が挙げられる。より具体的には、駆動軸で可動接点となる複数の導電板を貫通し、各導電板を間隔をあけて保持する。

ここで、各接点対は、接点対を開いた際のギャップが全て同じであっても良いし、少なくとも一部のギャップが他のギャップと異なっても良い。このギャップや、後述する弾性材のばね定数、ソレノイドのアンペア・ターンの選択を適宜調整することで、全ての接点対を同時に開閉したり、各接点対に時間差を設けて開閉させることができる。

また、可動接点は弾性材で固定接点側に付勢することが好ましい。この付勢により、仮に可動接点の形状や配置状態に多少のばらつきがあっても、可動接点の固定接点に対する接触状態を安定させることができる。

より具体的には、各可動接点を対向する固定接点側に付勢するが、隣接する可動接点を付勢しない第一弾性材を有することが好ましい。例えば、ソレノイドの駆動軸に複数の導電板（可動接点）を間隔をあけて配置すると共に、各導電板の上部おいて駆動軸に固定されるフランジを設ける。そして、各フランジの上面と各導電板の下面との間において駆動軸にはめ込まれる圧縮コイルばねを配置する。この構成によれば、各可動接点は、各圧縮コイルばねの圧縮状態により隣接する可動接点と連動することがなく、圧縮コイルばねの縮み量が駆動軸の進退位置のみで決定されることになる。そのため、各圧縮コイルばねのばね定数は他の圧縮コイルばねのばね定数に依存することなく選択でき、各接点対の開閉状態の制御も容易に行なうことができる。

一方、各可動接点を対向する固定接点側に付勢し、かつ隣接する可動接点同士を互いに離れる方向に付勢する第二弾性材を有する構成も望ましい。例えば、ソレノイドの駆動軸に複数の導電板（可動接点）を間隔をあけて配置すると共に、各導電板の間において駆動軸にはめ込まれる圧縮コイルばね（第二弾性材）を配置する。この構成によれば、隣接する可動接点同士は、その間に介在される圧縮コイルばねの圧縮状態により互いの位置が影響を受けるが、圧縮コイルばねの過圧縮を防止することができ、安定した押圧力で各可動接点を固定接点に押圧することができる。

これら第一・第二弾性材は、金属などの導電性のものの他、プラスチックなどの絶縁性のものも利用できる。特に、第二弾性材については、隣接する可動接点同士を絶縁するために、(1)絶縁性のばねを用いる、（2）導電性のばねに絶縁被覆を施したものを用いる、(3）導電性のばねの両端部と可動接点との間に絶縁性のワッシャを介在させることが望ましい。絶縁性のワッシャはセラミックやプラスチックなどが好適に用いられる。

また、このソレノイドは、その内部に駆動軸を各接点対が開く方向に付勢する駆動軸用弾性材を有することが望ましい。従来では、固定接点と可動接点の間に、可動接点を開方向に付勢するコイルばねを配置していたため、接点間のフリースペースが小さく、また、コイルばねはアークの影響を受け易いのでコストの高い高耐熱用のコイルばねが必要であった。本発明は、ソレノイドの内部に、その駆動軸を接点開方向に付勢する駆動軸用弾性材を用いることで、接点間のフリースペースとアークの影響を回避しつつ、接点の開放速度を早くして、リレー部の遮断性能を向上させることができる。特に、フリースペースを増やすことができるので、アークの拡散効果が増し、短時間でリレー部の遮断を行えるとともに、高耐熱用のばねも不要となるので低コスト化が図れる。駆動軸用弾性材としては、圧縮コイルばねなどが挙げられる。

本発明リレーにおいて、固定接点と可動接点との間に生じるアークを歪曲するための磁石を有することが好ましい。接点間に磁界を形成することで、遮断時に発生するアークを歪曲して引き伸ばし、遮断特性を向上させることができる。この磁石は、例えば接点対の開閉方向と直交方向に磁界を形成するように配置する。特に、入力接点と可動接点の間で生じたアークと出力接点と可動接点との間で生じたアークとが互いに離れる方向に歪曲されるように磁石を配することが好適である。この磁石配置により、歪曲された両アーク同士が連結して遮断特性が低下することを回避できる。また、この磁石は、各接点対ごとに設けても良いし、複数の接点対に共通する磁石を設けても良い。後者の場合、複数の接点対で磁石を共有するため、部品点数を減らすことができる。

複数の接点対は、ケースに収納することが好ましい。接点対をケースに収納することで、粉塵などの異物が接点間に介在されて遮断特性が低下することを抑制できる。ケースは、セラミックやプラスチックなどの絶縁材料が好適に利用できる。特に、固定接点の一方を入力接点、他方を出力接点とし、可動接点は固定接点との間を閉じた際に入力接点と出力接点とを連結する構成とすれば、アークの発生時間を短縮でき、セラミックよりは耐熱性が劣るが安価なプラスチックを利用することができる。

このケースは、ソレノイドとケースとをソレノイドの駆動方向にネジ止めにより結合することが好ましい。従来、ケースとソレノイドの一部を重ね合わせ、その重複箇所を駆動方向とは直交する方向にネジ止めしていた。この場合、ソレノイドの位置を微調整するためにネジ孔を駆動方向に伸びる長孔としていたが、そのためにリレーの駆動に伴いケースがソレノイドに対してずれることがあった。本発明によれば、ソレノイドの駆動軸の進退方向にネジ止めしてソレノイドとケースとを連結することで、駆動軸の可動方向とネジ止めの方向とが同一方向となる。そのため、リレーを繰り返し使用しても、ケースがソレノイドに対してずれることがない。その結果、接点間の距離のばらつきを抑えることができ、安定した接点の接触状態を維持でき、確実に接点を非接触状態にすることができる。

ソレノイドは、ケースの外部に露出することが望ましい。ソレノイドをケース外部に露出すれば、ソレノイド自体までケースで覆う必要がなく、リレーを小型化することができる。また、ソレノイド通電時の放熱が効果的に行えるので、リレー内部の温度上昇を抑えることができ、接点への熱の影響が少なくなる。

本発明リレーによれば、ソレノイドのアンペア・ターンを変化させることで、単一のソレノイドにより複数の接点対、つまり複数のリレー部の開閉を任意に制御することができ、これらリレー部を有するリレー全体としてのサイズを小型化することができる。

以下、本発明の実施の形態を説明する。

＜実施例１＞
本発明リレーを図１に基づいて説明する。このリレーは、一つのソレノイド200と、２つの開閉可能な接点対100U、100D有し、このソレノイド200の駆動により、これら接点対100U、100Dの開閉を行って、各接点対100U、100Dをリレー部として機能させる構成である。

ソレノイド200は、オン時に図１の上方に押し上げられ、オフ時に同下方に後退する駆動軸210を有する。この駆動軸210は、図２に示すように、その一部がソレノイド本体220内に収納され、本体220内部において、圧縮コイルばね230（駆動軸用弾性材）により下方に付勢されるように構成されている。

このソレノイドは、駆動軸210を進退させる励磁コイル250を有し、励磁コイル250のアンペア・ターンを３通りに調整し、３段階の押圧力で駆動軸210を駆動することができる。ここでは、図３（A）に示すように、励磁コイル250を直列に配された２つの独立したサブコイルで構成する。各サブコイルは、第一コイル251と第二コイル252とからなり、第一コイル251が第二コイル252よりも短く構成されている。励磁コイル250には、そのコイルを励磁する電源260が接続されている。電源260の正極側は２つに分岐されて、一方の分岐はスイッチS1を介して第一コイル251の一端に、他方の分岐はスイッチS2を介して第二コイル252の一端に接続されている。一方、電源260の負極側も２つに分岐されて、一方の分岐は第一コイル251の他端に接続され、他方の分岐は第二コイル252の他端に接続されている。

このソレノイドにおいて、各スイッチS1〜S2を切り替えることで、(1)第一コイル251のみを励磁する、(2)第二コイル252のみを励磁する、(3)第一・第二コイル251,252を励磁する、の３通りの励磁を行うことができる。具体的には、スイッチS2を開き、スイッチS1を閉じることで第一コイル251のみを励磁する。また、スイッチS2を閉じ、スイッチS1を開くことで第二コイル252のみを励磁する。さらに、スイッチS1とS2を閉じることで第一・第二コイル251,252を励磁することができる。ただし、後述するように、このリレーで開閉される接点対は２対であるため、３通りの励磁の仕方の中からいずれか２通りを選択して駆動軸の駆動を行えばよい。

一方、２つの接点対100U、100Dは、この駆動軸210の駆動方向、つまり上下方向に並列して配置される（図１）。各接点対100U、100Dは固定接点110U、110Dと可動接点120U、120Dとからなる。

そのうち、固定接点110U、110Dは入力接点111U、111Dと出力接点112U、112Dとからなり、接点対100U、100Dの閉動作時、電流は入力接点111U、111Dから入力されて、出力接点112U、112Dより出力される。入力接点111U、111D、出力接点112U、112Dには金属ブロックを用い、駆動軸210を間に挟んで図示しないケースに固定している。ここでは、上方の固定接点110Uの入出力接点間の幅を狭くし、下方の固定接点110Dの入出力接点間の幅を広くした。

また、各可動接点120U、120Dは、駆動軸210に間隔をあけて保持され、接点対100U、100Dの閉動作時に入力接点111U、111Dと出力接点112U、112Dとの間を接続する。各可動接点120U、120Dは、円盤状の金属板で構成され、その駆動軸210への装着には2つのフランジ部材300U、300Dと2つの圧縮コイルばね400U、400D（第一弾性材）が用いられる。フランジ部材300U、300Dは絶縁材料で構成され、駆動軸210に固定されるパイプ部310U、310Dと、パイプ部310U、310Dの上方において径方向に張り出すつば部320U、320Dとからなる。そして、各圧縮コイルばね400U、400Dは、下端がつば部320U、320Dに、上端が各可動接点120U、120Dに当接するように駆動軸210の外側にはめ込まれている。本例では、全て同じばね定数で、同じ自由長のばねを用いた。つまり、各可動接点120U、120Dは、下面側から圧縮コイルばね400U、400Dに押圧され、上面側がつば部320U、320M、320Dに押圧されて位置決めされることになる。本例では、各フランジ部材300U、300Dの間隔を同じにし、可動接点120Uと固定接点110Uとのギャップを可動接点120Dと固定接点110Dとのギャップよりも小さくしている。これらフランジ部材300U、300Dと圧縮コイルばね400U、400Dの位置決めにより、可動接点120Uはソレノイドの駆動軸210を押し上げた際に先に固定接点110Uに接触し、その後に可動接点120Dは固定接点110Dに接触するように配される。

さらに、下方の可動接点120Dほど大面積となる金属板を用いた。この構成により、下方ほど入出力接点間の幅を広くした固定接点110U、110Dに対して可動接点120U、120Dを開閉することができる。この固定接点110U、110Dと可動接点120U、120Dの構成によれば、各固定接点110U、110Dは互いに上下方向に少なくとも一部が重ならない配置となり、固定接点110U、110Dにつながるリード（図示せず）を上方に引き出すことが可能になる。

以上の構成のリレーによれば、例えば、まず第一コイル251のみを励磁して駆動軸210を押し上げる。それに伴って各可動接点120U,120Dは押し上げられ、先に可動接点120Uと固定接点110Uが接触状態に保持される。このとき、可動接点120Dは固定接点110Dに非接触の状態に保持される。次に、さらに第二コイル252も励磁する。これにより、一層大きな押圧力で可動接点120Dが押し上げられて固定接点110Dに接触し、両接点対100U、100Dが閉じた状態に保持される。一方、ソレノイド210をオフにすると、圧縮コイルばねの作用により駆動軸210がすばやく下方に後退され、固定接点110U、110Dと可動接点120U、120Dとの間を開くことになる。このような開動作により、入力接点110U、110Dから出力接点112U、112Dに流れる直流を遮断することができる。このとき、まず第二コイル252の励磁のみを解除し、第一コイル251のみが励磁された状態とすれば、固定接点110Dと可動接点120Dのみを開動作させることができる。従って、各接点対を一つのリレー部として機能させれば、２つのリレー部が１つのソレノイド200で動作されるリレーを構成できることになり、リレー全体としてのサイズを小型化することができる。

特に、この構成では、圧縮コイルばね400U、400Dは一つの可動接点のみを付勢し、隣接する可動接点を同時に付勢しないため、圧縮コイルばね400U、400Dの縮み量が駆動軸210の進退位置のみで決定される。そのため、各圧縮コイルばね400U、400Dのばね定数は他の圧縮コイルばねのばね定数に依存することなく選択できる。

なお、以上の実施例１において、可動接点の金属板の形状は円盤状に限定されない。例えば矩形板であってもよい。

＜実施例２＞
次に、実施例1と同様に2つのサブコイルを用いた構成であるが、各サブコイルを共通接地したリレーを図３(B)に基づいて説明する。

このリレーも、接点対の構成は図1に示したものと同様であるが、ソレノイドの励磁コイル250の制御回路が実施例１とは異なっている。つまり、第一コイル251と第二コイル252の巻き方向を逆にし、これらのコイル251、252を共通に接地している。具体的には、第一コイル251の他端、及び第二コイル252の一端を共通に接地している。また、電源260は負極側を接地に接続し、正極側を、スイッチS1を介して第一コイル251の一端と、スイッチS2を介して第二コイル252の他端とに分岐して接続している。

この構成によっても、スイッチS1のみを閉じることで第一コイル251のみを励磁し、スイッチS2のみを閉じることで第二コイル252のみを励磁し、スイッチS1、S2を閉じることで第一・第二コイル251,252を励磁することができる。また、第一・第二コイル251,252の巻き方向を逆にしておくことで、各コイル251,252を励磁した際に駆動軸210に生じる軸方向磁界の方向を同じにすることができる。

この実施例2によっても、実施例1と同様に、励磁コイルのアンペア・ターンを段階的に変化させ、それに伴って、複数の接点対を時間差をもって開閉することができる。

＜実施例３＞
次に、一連の励磁コイルに分岐端子を設けた本発明リレーを図４(A)に基づいて説明する。このリレーも、接点対の構成は図1に示したものと同様であるが、ソレノイドの励磁コイル250の制御回路が実施例１とは異なっている。つまり、一連の励磁コイル250の途中に分岐端子253を設けている。この分岐端子253により、励磁コイルのうち分岐端子253よりも上部が第一コイル251、その下部が第二コイル252として分類される。ここでは、第一コイル251よりも第二コイル252が長くなるように分岐端子の位置を決定した。

また、第一・第二コイル251,252を選択的に励磁できるように、電極の正極側、及び負極側をそれぞれ二つに分岐すると共に、各分岐部分にスイッチS1〜S4を設けている。具体的には、正極側の一方の分岐は、スイッチS1を介して励磁コイル250の一端側が接続され、同他方の分岐は、スイッチS2を介して分岐端子253に接続される。負極側の一方の分岐は、スイッチS3を介して分岐端子253に接続され、同他方の分岐は、スイッチS4を介して励磁コイル250の他端側に接続される。そして、スイッチS1、S3を閉じてスイッチS2、S4を開くことで第一コイル251のみを励磁することができる。スイッチS2、S4を閉じてスイッチS1、S3を開くことで第二コイル252のみを励磁することができる。スイッチS1、S4を閉じてスイッチS2、S3を開くことで第一・第二コイル251,252を励磁することができる。従って、これら３通りの励磁の仕方から２通りを選択すれば、図１に示すような２対の接点対を時間差を設けて開閉することができる。

この実施例３の変形例として、図４(B)に示すように、分岐端子253にさらに抵抗270を接続してもよい。分岐端子253を励磁コイル250の途中に設けた場合、分岐端子により分割される第一・第二コイル251,252の各々は、励磁コイル全体よりも長さが短くなるため、抵抗が小さくなる。そのため、分岐端子を用いない場合と同様の電圧を分岐端子235を用いた本発明リレーに印加すると、過大な電流が流れることも考えられるため、分岐端子253に抵抗270を接続することで、過大な電流が各コイルに流れることを抑制できる。なお、図４(B)では、励磁コイルを励磁するための電源は省略している。

＜実施例４＞
次に、励磁コイルにPWM回路280を接続した本発明リレーを図５(A)に基づいて説明する。このリレーも、接点対の構成は図1に示したものと同様であるが、ソレノイドの励磁コイルの制御回路が実施例１とは異なっている。つまり、一連の励磁コイル250の両端にPWM回路280を接続している。

PWM回路280は、三角波信号発生器と、制御信号発生器と、コンパレータとを有する構成とした。各発生器で発生された三角波信号と傾斜直線状の制御信号とをコンパレータで比較して、三角波信号＜制御信号の場合にパルスをH出力とし、それ以外の場合はL出力とする。このパルスのH出力時間T1とL出力時間T2の比率（デューティーサイクル）を変えることでパルス幅が変化されるPWM信号を生成し、そのPWM信号に基づいて励磁コイル250にかける電流を制御する（図５(B)参照）。その結果、励磁コイル250に流れる電流を可変することができ、励磁コイル250のアンペア・ターンを変化させることができる。

この実施例４によっても、例えば、励磁コイルに流れる電流を２通りに変化させることで、図１に示す２対の接点対を時間差をもって開閉動作することができる。

＜実施例５＞
次に、励磁コイルにDC-DCコンバータを接続した本発明リレーを図６に基づいて説明する。このリレーも、接点対の構成は図1に示したものと同様であるが、ソレノイドの励磁コイルの制御回路が実施例１とは異なっている。つまり、一連の励磁コイル250の両端にDC-DCコンバータ285を接続している。

DC-DCコンバータ285は、入力される直流の電圧を異なる電圧の直流として出力する機能を有する。そのため、DC-DCコンバータ285により励磁コイル250に印加する電圧を調整すれば、励磁コイル250に流れる電流を変化させることができ、アンペア・ターンを制御することができる。

従って、この実施例５によっても、例えば、励磁コイル250に流れる電流を２通りに変化させることで、図１に示す２対の接点対を時間差をもって開閉動作することができる。

＜実施例６＞
次に、励磁コイルに可変抵抗を接続した本発明リレーを図７に基づいて説明する。このリレーも、接点対の構成は図1に示したものと同様であるが、ソレノイドの励磁コイル250の制御回路が実施例１とは異なっている。つまり、一連の励磁コイルの一端に可変抵抗290を接続している。

可変抵抗290は、抵抗値を所定の値に変化させることができる。そのため、可変抵抗の抵抗値を変化させることにより励磁コイル250に印加する電圧を調整すれば、励磁コイル250に流れる電流を変化させることができ、アンペア・ターンを制御することができる。

従って、この実施例６によっても、例えば、励磁コイルに流れる電流を２通りに変化させることで、図１に示す２対の接点対を時間差をもって開閉動作することができる。

＜実施例７＞
次に、実施例１とは異なる接点対構造の本発明リレーを図８に基づいて説明する。実施例７は、一つのソレノイド200と、３つの開閉可能な接点対を有する。つまり、本例は、実施例１における接点対の数を一つ増やし、フランジ部材300U、300Bの一部をなくした構成に相当する。そのため、接点対を構成する可動接点120U、120M、120Dのうち、隣接する可動接点同士が圧縮コイルばね500U、500M、500D（第二弾性材）で付勢される構成としている。

フランジ部材300U、300Bは、駆動軸210の先端と後端にのみ固定される。この後端側のフランジ部材300Bと下部可動接点120Dとの間、下部可動接点120Dと中間可動接点120Mとの間、中間可動接点120Mと上部可動接点120Uとの間の各々に圧縮コイルばね500U、500M、500Dを配置する。その結果、各可動接点は、隣接する可動接点と圧縮コイルばね500U、500M、500Dを介して連動されることになり、各可動接点120U、120M、120Dの位置は圧縮コイルばね500U、500M、500Dの圧縮量により互いに影響し合うことになる。

このような構成によれば、駆動軸210の進退量、各圧縮コイルばね500U、500M、500Dのばね定数・自由長および固定接点110U、110M、110Dと可動接点120U、120M、120Dとのギャップ並びに後述するソレノイドのアンペア・ターンの調整を自由に組み合わせて、各接点対が時間差をもって開閉されるリレーを構成することができる。

特に、本例によれば、一部の圧縮コイルばね500U、500Mの過圧縮を防止することができる。例えば、駆動軸210を大きく上方に移動させても、各圧縮コイルばね500U、500Mは、その下端側に当接する可動接点120M、120Dを押し下げる方向に付勢するため、駆動軸210の移動量よりも圧縮コイルばねの圧縮量が小さくなり、圧縮コイルばね500U、500Mの過圧縮を防止することができる。

本例において、圧縮コイルばね500U、500Mとして金属などの導電性材料を用いる場合、圧縮コイルばね500U、500Mの端部と可動接点120U、120M、120Dとの間にセラミック製の絶縁ワッシャ（図示せず）を介することが有効である。例えば、上部圧縮コイルばね500Uの下端と中間可動接点120Mの上面の間、中間圧縮コイルばね500Mの下端と下部可動接点120Dの上面との間に絶縁ワッシャを介することで、各可動接点120U、120M、120D同士の絶縁を確保することができる。もちろん、全ての圧縮コイルばね500U、500M、500Dの上端と下端に絶縁ワッシャを配してもよい。

以上の可動接点の支持の仕方を除いて、固定接点、可動接点の材質、形状、配置あるいはソレノイド自体の構成などは全て実施例１と共通である。従って、ソレノイドの励磁コイルに対して３通りの励磁の仕方を適用することで、実施例７の構成によれば、３つの接点対を一つのソレノイドで独立して開閉することができる。

＜実施例８＞
次に、図９、図10に基づいて、ケース600に複数の接点対100U、100M、100Dを収納した本発明リレーを説明する。このリレーは、実施例7と類似構成の３つの接点対100U、100M、100Dがケース600内に収納され、ソレノイド200がケース600外に露出された構成である。

ケース600は、プラスチック製の直方体状容器で、その内部には上下方向に３つの空間が形成され、各空間内に固定接点110U(図9において111U及び112U)、110M(同111M及び112M)、110D(同111D及び112D)と可動接点120U、120M、120Dとからなる接点対が収納されている。また、ケース600の中央部にソレノイドの駆動軸210が配置されている。

駆動軸210には、実施例１と同様にフランジ部（図９では省略）と圧縮コイルばね（図９では省略）を用いて、可動接点120U、120M、120Dが保持されている。但し、フランジ部は４つ、圧縮コイルばねは３つ、可動接点の数は３つである。ここでは、いずれの可動接点120U、120M、120Dも同じ大きさの円盤状金属板を用いている。一方、可動接点120U、120M、120Dの対向位置には入力接点111U、111M、111Dと出力接点112U、112M、112Dとからなる固定接点110U、110M、110Dが配されている。これら入力接点と出力接点は、いずれも細い金属ブロック体で構成され、ケース600の正背面の間に架け渡されるように保持されている。本例では、入力接点と可動接点との間隔は、各接点対100U、100M、100Dでいずれも同じとしている。そして、各固定接点の一部はケース背面620から露出させて、その露出箇所にリード（図示せず）を接続することができるように構成している。

また、上部、中間、下部の各入力接点111U、111M、111Dとこれら入力接点111U、111M、111Dと対向する可動接点120U、120M、120Dとのギャップおよび上部、中間、下部の各出力接点112U、112M、112Dとこれら出力接点112U、112M、112Dと対向する可動接点120U、120M、120Dとのギャップを両側から挟みこむように一対の磁石700が固定されている。つまり、各ギャップごとに一対の磁石700が配されて、このギャップと直交する方向に磁界を形成することができる。そのため、固定接点110U、110M、110Dから可動接点120U、120M、120Dを開動作する際、発生したアークは磁界により歪曲され、引き伸ばされることでより短時間に遮断を行うことができる。

これらの磁石700は、ケース内に形成された磁石収納部630にはめ込まれている。ケースの背面620はケース本体610に対して着脱自在に構成され、ケース背面620を本体610から取り外した状態で磁石700と固定接点110U、110M、110Dのはめ込みを行い、その後に背面620をケース本体610に固定する。背面620とケース本体610との固定はネジ（図示せず）止めなどにより行えばよい。

一方、ソレノイド200は、図２に記載のものと同様の構成で、その本体上部に、本体上面よりも面積の大きい矩形板状スペーサ800が固定され、このスペーサ800上に上記ケース600が固定されている。そして、ケース600の下方とスペーサ800とを貫通するネジ900によりケース600とスペーサ800が一体化されている。つまり、駆動軸210の進退方向にネジ止めしてケース600とソレノイド200を一体化している。そのため、繰り返しリレーを開閉しても、ケース600がソレノイド200に対してずれることがない。その結果、接点間の距離のばらつきを抑えることができ、安定した接点の接触状態を維持でき、確実に接点を非接触状態にすることができる。また、ソレノイド200は、ケース600の外部に露出しているため、ソレノイド200自体までケースで覆う必要がなく、リレーを小型化することができる。

さらに、このソレノイドは、実施例１と同様に、励磁コイルを３通りに励磁することができ、それに伴ってアンペア・ターンを切り替えて、３通りの押圧力で駆動軸を駆動することができる。そのため、３つの接点対を独立して開閉することができる。

本例のリレーでは、各接点対100U、100M、100Dはケース600内に収納されているため、固定接点110U、110M、110Dと可動接点120U、120M、120Dとの間に異物などが介在されることがなく、信頼性の高いリレーとすることができる。

なお、以上の例では、固定接点110U、110M、110Dと可動接点120U、120M、120Dとのギャップごとに磁石を配置したが、３つの接点対に共通する磁石を配することにより磁界を形成してもよい。この構成によれば、磁石700の数を減らすことができる。

本発明リレーは、直流の遮断が必要な分野、特に、省スペースで短時間での高圧直流の遮断が要求される分野での利用が望まれる。例えば、電気自動車やハイブリッド自動車などでの利用が期待される。

実施例１のリレーの概略構成図で、（A）は開動作時、（B）は一部閉動作時、（C）は閉動作時を示す。 本発明リレーに用いるソレノイドの模式断面図である。 (A)は実施例１のリレーに用いるソレノイドの励磁回路図、(B)は実施例２のリレーに用いるソレノイドの励磁回路図である。 (A)は実施例３のリレーに用いるソレノイドの励磁回路図、(B)は実施例３のリレーに用いるソレノイドの励磁回路図である。 (A)は実施例４のリレーに用いるソレノイドの励磁回路図、(B)はPWMパルス信号の模式図である。 実施例５のリレーに用いるソレノイドの励磁回路図である。 実施例６のリレーに用いるソレノイドの励磁回路図である。 実施例７のリレーに用いる接点対の構成図で、(A)は開動作時、(B)は閉動作時を示す。 実施例８のリレーの模式縦断面図である。 実施例８のリレーの模式横断面図である。 ハイブリッド自動車の電源回路の概略回路図である。

符号の説明

100U、100M、100D 接点対 110U、110M、110D 固定接点
111U、111M、111D 入力接点 112U、112M、112D 出力接点
120U、120M、120D 可動接点
200 ソレノイド 210 駆動軸 220 本体 230 圧縮コイルばね
250 励磁コイル 251 第一コイル 252 第二コイル 253 分岐端子
260 電源 270 抵抗 280 PWM回路 285 DC-DCコンバータ
290 可変抵抗
300U、300M、300D、300B フランジ部材 310U、310M、310D、310B パイプ部
320U、320M、320D、320B つば部
400U、400M、400D 圧縮コイルばね
500U、500M、500D 圧縮コイルばね
600 ケース 610 ケース本体 620 ケース背面 630 磁石収納部
700 磁石 800 スペーサ 900 ネジ
10 主電池 20 インバータ 30 モータ
41 予備充電リレー部 42 プラス側メインリレー部
43 マイナス側メインリレー部
50 コンデンサ 60 レジスタ

Claims (8)

1. 励磁コイルを励磁することで駆動軸を進退させるソレノイドと、
   この駆動軸の進退により開閉される複数の接点対とを有する直流リレーであって、
   前記励磁コイルのアンペア・ターンの可変機構を有することを特徴とする直流リレー。
2. アンペア・ターンの可変機構は、
   励磁コイルを複数のサブコイルから構成し、
   これらサブコイルの一部または全部を選択的に励磁できる第一切替手段を有することを特徴とする請求項１に記載の直流リレー。
3. 各サブコイルは共通して接地されていることを特徴とする請求項２に記載の直流リレー。
4. アンペア・ターンの可変機構は、
   励磁コイルの途中に分岐端子を有し、
   励磁コイルの一端と他端の間、励磁コイルの一端と分岐端子の間または分岐端子と励磁コイルの他端の間を選択的に励磁できる第二切替手段を有することを特徴とする請求項１に記載の直流リレー。
5. 分岐端子に抵抗が接続されていることを特徴とする請求項４に記載の直流リレー。
6. アンペア・ターンの可変機構は、励磁コイルに接続されるPWM回路を有することを特徴とする請求項１に記載の直流リレー。
7. アンペア・ターンの可変機構は、励磁コイルに接続されるDC-DCコンバータを有することを特徴とする請求項１に記載の直流リレー。
8. アンペア・ターンの可変機構は、励磁コイルに接続される可変抵抗を有することを特徴とする請求項１に記載の直流リレー。

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