JP6068058B2 - 電磁接触器 - Google Patents

Description

本発明は、電気回路の開閉器に関し、特に電磁石を用いて一対の接点の開閉を制御する電磁接触器に関する。

特許文献１には、電磁開閉器に好適な封止接点装置が開示されている。特許文献１に開示された封止接点装置は封止容器内に接点機構を有している。接点機構は、対向配置された一対の接点を有している。封止接点装置は、この一対の接点の接離を制御して高電流を通電したり遮断したりできる。

特開平９−２５９７２８号公報

しかしながら、当該封止容器は不透明であるため、封止容器を封止接点装置から取り除かない限り、封止容器内に配置された接点機構を外部から視認することができない。封止接点装置の稼働中に封止容器を取り除くことは極めて困難であるため、封止接点装置の稼働中に接点機構の導通／非導通状態は目視で確認し難い。このため、封止接点装置を導通状態に制御しているにも関わらず、封止接点装置に接続された電気回路に電流が流れない場合、接点機構が動作していないのか、あるいは接点機構は動作しているものの一対の接点が十分に接触していないのか、などの接点機構の状態を確認できないという問題がある。
そこで、本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、接点を目視することができない場合であっても、接点の導通を検出することができる電磁接触器を提供することにある。

本発明の一態様による電磁接触器は、接離可能に対向配置された一対の接点と、前記一対の接点の接離を制御する電磁石のコイルと、前記コイルに直列に接続され、前記コイルに供給する電流を制御するスイッチング素子と、前記スイッチング素子の端子間電圧を検出する電圧検出回路とを有することを特徴とする。
また、本発明の一態様による電磁接触器は、前記端子間電圧に基づいて前記一対の接点の動作状態を表示する表示部を有し得る。
また、前記電圧検出回路は、前記一対の接点が接触することに基づいて発生する前記端子間電圧に生じる変極点を検出し得る。
また、前記電圧検出回路は、前記一対の接点が離間状態から接触状態に移行を開始してから所定期間内に前記変極点が生じるか否かを検出し得る。

また、前記電圧検出回路は、前記端子間電圧に重畳するサージ電圧を除去するサージ電圧除去回路と、前記サージ電圧除去回路が出力した出力電圧に重畳する高周波ノイズ信号を除去する高周波ノイズ除去回路と、前記高周波ノイズ除去回路が出力した出力電圧の電圧レベルを増幅する増幅回路と、前記増幅回路が出力した出力電圧を微分する微分回路と、前記微分回路が出力した出力電圧と、所定の閾値電圧とを比較する比較回路とを備え得る。

また、本発明の一態様による電磁接触器は、前記一対の接点を収容する不透明な収容ケースをさらに備え得る。
また、前記一対の接点の一方は、電流路に介挿され、前記収容ケース内に所定間隔を保って固定配置された一対の固定接触子であり、前記一対の接点の他方は、前記一対の固定接触子に対して接離可能に配設された可動接触子であり得る。

本発明によれば、接点を目視することができない場合であっても、接点の導通を検出することができる。

本発明の一実施の形態による電磁接触器１の概略構成の断面図である。 本発明の一実施の形態による電磁接触器１の回路構成を示す図である。 本発明の一実施の形態による電磁接触器１に備えられたスイッチング素子１６ のソースドレイン間電圧Ｖｄｓの実測波形である。 本発明の一実施の形態による電磁接触器１に備えられた電圧検出回路１７の回 路ブロック図である。 本発明の一実施の形態による電磁接触器１に備えられた電圧検出回路１７の回 路構成の一例を示す図である。 本発明の一実施の形態による電磁接触器１に備えられた電圧検出回路１７のシ ミュレーション動作波形を示す図である。

本発明の一実施の形態による電磁接触器について図１から図６を用いて説明する。まず、本実施の形態による電磁接触器１の概略構成について図１を用いて説明する。図１は、本実施の形態による電磁接触器１の断面図である。本実施の形態による電磁接触器１は直流及び交流のいずれにも適用できる。図１に示すように、電磁接触器１は外装ケース（収納ケース）２０を有している。外装ケース２０は例えば不透明な合成樹脂で形成されている。このため、外装ケース２０内に配設された一対の接点３３（詳細は後述）は外部から視認できないようになっている。外装ケース２０は、下端面が開放された有底筒体２０ａと、有底筒体２０ａの下端面を閉塞する底板２０ｂとで構成されている。

外装ケース２０内には、接点機構を配置した接点装置２と、接点装置２を駆動する電磁石装置としての電磁石ユニット３とが収納されている。電磁石ユニット３は底板２０ｂ上に配置され、接点装置２は電磁石ユニット３上に配置されている。接点装置２及び電磁石ユニット３は、外装ケース２０内に直列に収納されている。接点装置２は、接点収納ケース４を有している。接点収納ケース４は、セラミックス、合成樹脂等で形成されて下端を開放した桶状体４ａと、桶状体４ａの開放端面に密着固定された金属製の接合部材４ｂと、桶状体４ａの側面を覆う金属筒体４ｃとで構成されている。接合部材４ｂは、電磁石ユニット３の上部磁気ヨーク２２の上面にロー付け又は溶接等によって気密状態で固定されている。

桶状体４ａの上面には、長手方向に所定間隔を保って断面円形の貫通孔２４ａ，２４ｂが設けられている。貫通孔２４ａ，２４ｂ内に例えば銅製の一対の固定接触子６ａ，６ｂが挿通されている。一対の固定接触子６ａ，６ｂは貫通孔２４ａ，２４ｂに接着剤等によって固定されている。固定接触子６ａ，６ｂのそれぞれは、上部側の大径頭部７と大径頭部７と同軸的に連接された下部側の小径円柱部８とで構成されている。

固定接触子６ａ，６ｂは、小径円柱部８を貫通孔２４ａ，２４ｂ内に挿通した状態で桶状体４ａに接着剤等によって固定されている。固定接触子６ａ，６ｂは、小径円柱部８によって貫通孔２４ａ，２４ｂを密封するようになっている。また、接点装置２は、固定接触子６ａ，６ｂの小径円柱部８の下端面に比較的狭い所定のギャップを隔てて対向配置された可動接触子１１を有している。可動接触子１１は小径円柱部８の下端面に対して接離可能に対向配置されている。可動接触子１１は接触子ホルダ１３に接触スプリング１４によって上方に付勢されて装着されている。接触子ホルダ１３は、後述する電磁石ユニット３の可動プランジャ２５に連結されて上下方向に駆動される。固定接触子６ａ，６ｂと可動接触子１１とにより、接離可能、すなわち接触状態及び離間状態のいずれか一方の状態を取り得る一対の接点３３が構成されている。例えば一対の接点３３の一方は固定接触子６ａ，６ｂであり、他方は可動接触子１１である。
固定接触子６ａ，６ｂの大径頭部７には外部接続端子板１５ａ，１５ｂがビス止めされている。

電磁石ユニット３は、側面から見てＵ字形状の磁気ヨーク２１を有している。磁気ヨーク２１の底板部２１ａの中央部には、下端を開放した円筒部２１ｂが形成されている。磁気ヨーク２１の上面側は上部磁気ヨーク２２によって連接されている。
磁気ヨーク２１の円筒部２１ｂの外周面には励磁コイル（電磁石のコイル）２３を巻装したコイルホルダ３２が装着されている。円筒部２１ｂの内周面には可動プランジャ２５を摺動可能に内装した有底円筒状のキャップ２６が配設されている。キャップ２６の底面には、可動プランジャ２５の底面と接触して可動プランジャ２５の下降時の衝撃を吸収するゴム座２７が配設されている。

可動プランジャ２５の中心部には連結軸２８が嵌合されている。連結軸２８の頭部は上部磁気ヨーク２２に形成された貫通孔２９を通じて上方に延長され、接触子ホルダ１３に連結されている。可動プランジャ２５の連結軸２８の周囲にはスプリング挿通孔３０が形成されている。スプリング挿通孔３０と上部磁気ヨーク２２との間に可動プランジャ２５を下方に付勢する復帰スプリング３１が装着されている。

桶状体４ａ、接合部材４ｂ及び金属筒体４ｃで構成される接点収納ケース４、上部磁気ヨーク２２及びキャップ２６で構成される密封空間内に水素ガス、窒素ガス、水素及び窒素の混合ガス、空気、ＳＦ６等のアーク消弧ガスが封入されている。
電磁接触器１は、例えば外部接続端子板１５ａ，１５ｂ上に配置された制御回路基板９を有している。制御回路基板９には、電磁石ユニット３を制御する電磁石コイル制御回路３４（図１では不図示）を有している。制御回路基板９は、外部接続端子板１５ａ，１５ｂ上に設けられた基板ケース３５内に収納されている。

次に、電磁接触器１の回路構成について図２から図６を用いて説明する。図２は、電磁接触器１の回路構成の要部を電磁接触器１に接続された主回路基板９とともに示している。図２に示すように、電磁接触器１に設けられた制御回路基板９は、電磁石コイル制御回路３４と電圧検出回路１７とを有している。電磁石コイル制御回路３４は、電磁石ユニット３に備えられた励磁コイル２３に供給する電流を制御するスイッチング素子１６と、スイッチング素子１６のオン／オフを制御するスイッチング素子駆動回路１８とを有している。スイッチング素子駆動回路１８は、パルス幅変調（ｐｕｌｓｅ ｗｉｄｔｈ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：ＰＷＭ）回路（不図示）を有している。スイッチング素子駆動回路１８は、励磁コイル３に所定量の電流を流すために、ＰＷＭ駆動によりスイッチング素子１６のオン状態の時間とオフ状態の時間とを調整するようになっている。

スイッチング素子１６は例えばＮチャネル型の電界効果トランジスタ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＦＥＴ）で構成されている。スイッチング素子１６のドレイン端子Ｄは励磁コイル２３の一端子に接続され、ソース端子Ｓはグラウンドに接続（接地）されている。スイッチング素子１６のゲート端子Ｇは、ＰＷＭ駆動信号が出力されるスイッチング素子駆動回路１８の信号出力端子（不図示）に接続されている。励磁コイル２３の他端子は電磁接触器１に設けられた電源回路１０に接続されている。励磁コイル２３及びスイッチング素子１６は、電源回路１０とグラウンド間に直列に接続されている。

電圧検出回路１７は入力端子１７ａ，１７ｂを有している。入力端子１７ａにはドレイン端子Ｄが接続され、入力端子１７ｂにはソース端子Ｓが接続されている。電圧検出回路１７は、スイッチング素子１６の端子間電圧、すなわちソース端子Ｓとドレイン端子Ｄとの間のソースドレイン間電圧Ｖｄｓを検出するようになっている。詳細は後述するが、電圧検出回路１７は特に、ソースドレイン間電圧Ｖｄｓに変極点が生じたか否かを検出するようになっている。
電源回路１０は、励磁コイル２３に印加される電圧や供給される電流の供給源である。電源回路１０は、例えばＤＣ−ＤＣコンバータ回路（不図示）を有し、励磁コイル２３が所望の磁場を発生するために必要な電圧や電流を主回路５の電源電圧ＶＤＤから生成するようになっている。

また、主回路５は、電磁接触器１によって開閉が制御される負荷５ｃと、一対の接点３３と、外部接続端子板１５ａ，１５ｂと、負荷５ｃに印加される電圧や供給される電流の供給源となる電源回路５ｄとを有している。外部接続端子板１５ａは電源回路５ｄの出力端子５ａに接続され、外部接続端子板１５ｂは負荷５ｃの入力端子５ｂに接続されている。電源回路５ｄは、例えばＤＣ−ＤＣコンバータ回路（不図示）を有し、電源回路１０に印加されるのと同じ電源電圧ＶＤＤから負荷５ｃに必要な電圧や電流を生成するようになっている。一対の接点３３が接触状態（閉状態）になると、負荷５ｃの入力端子５ｂは、外部接続端子板１５ｂ、一対の接点３３及び外部接続端子板１５ａを介して電源回路５ｄの出力端子５ａに接続される。これにより、電磁接触器１は、負荷５ｃに電圧を印加したり電流を供給したりする電力供給状態となる。一方、一対の接点３３が離間状態（開状態）になると、負荷５ｃは一対の接点３３によって電源回路５ｄから切断される。これにより、電磁接触器１は、負荷５ｃに電圧を印加したり電流を供給したりしない電力供給停止状態となる。

次に、電圧検出回路１７が検出するソースドレイン間電圧Ｖｄｓについて図２を参照しつつ図３を用いて説明する。図３は、スイッチング素子１６がオフ状態からオン状態に切り替わる際のソースドレイン間電圧Ｖｄｓの実測波形を電圧の上昇途中から示している。図中上段には、負荷５ｃの入力端子５ｂとグラウンドとの間の端子電圧Ｖ５ｂの電圧波形が示され、図中下段には、ソースドレイン間電圧Ｖｄｓの電圧波形が示されている。図中縦軸は電圧を表し、横軸は時間を表し、図中左から右に向かって時間の経過を示している。端子電圧Ｖ５ｂにおける縦軸の電圧スケールは、１Ｖ／ｄｉｖであり、ソースドレイン間電圧Ｖｄｓにおける縦軸の電圧波形の電圧スケールは０．１Ｖ／ｄｉｖであり、両電圧波形における横軸の時間スケールは１０ｍｓｅｃ／ｄｉｖである。

スイッチング素子１６がオン状態になると、図３に示すように、ソースドレイン間電圧Ｖｄｓは上昇する。これにより、励磁コイル２３に電流が流れ始め、励磁コイル２３に流れる電流の電流値が所定値に到達すると（図中の時刻ｔ）、一対の接点３３が離間状態から接触状態に移行して、端子電圧Ｖ５ｂの電圧値は例えば０Ｖから２．５Ｖになる。一対の接点３３が離間状態から接触状態に移行すると、開放状態にあった、電源回路５ｄの出力端子５ａと負荷５ｃの入力端子５ｂとは一対の接点３３により短絡される。このため、一対の接続端子５ａ，５ｂ間のインピーダンスは、相対的に高い値（例えば、無限大と看做せる値）からそれよりも低い値（例えば、０Ωと看做せる値）に変化する。このインピーダンスの変化により、出力端子５ａの電圧値は瞬間的に低下する。この瞬間的な電圧降下は、電源電圧ＶＤＤ、電源回路１０の出力電圧及びソースドレイン間電圧Ｖｄｓに順次影響し、電源電圧ＶＤＤ、当該出力電圧及びソースドレイン間電圧Ｖｄｓのそれぞれの電圧値が瞬間的に低下する。これにより、図２の図中に仮想円αで囲んで示すように、ソースドレイン間電圧Ｖｄｓには、この瞬間的な電圧低下に基づいて生じる変極点が生じる。この変極点は一対の接点３３が接触状態となった場合に生じるので、一対の接点３３が離間状態から接触状態に移行を開始した後に、この変極点が生じるか否かを電圧検出回路１７で検出することにより、一対の接点３３の接離状態、すなわち固定接触子６ａ，６ｂと可動接触子１１とが接触しているか離間しているかを判定することができる。

次に、電圧検出回路１７の回路構成について図４から図６を用いて説明する。図４は、電圧検出回路１７の回路構成のブロック図である。電圧検出回路１７は、サージ電圧除去回路４１と、高周波ノイズ除去回路４３と、増幅回路４５と、微分回路４７と、比較回路４９とを有している。高周波ノイズ除去回路４１は、入力されたスイッチング素子１６のソースドレイン間電圧Ｖｄｓに重畳するサージ電圧を除去し、電圧検出回路１７に高電圧が印加されるのを防止するようになっている。高周波ノイズ除去回路４３は、サージ電圧除去回路４１が出力した出力電圧に重畳する高周波ノイズ信号を除去し、高周波ノイズ信号を変極点として検出してしまうのを防止するようになっている。増幅回路４５は、高周波ノイズ除去回路４３が出力した出力電圧の電圧レベルを増幅するようになっている。図３に示すように、変極点における電圧変化は５０ｍＶ程度と電圧変動量が小さいため、電圧検出回路１７は、発生した変極点を検出し損ねてしまう可能性がある。このため、電圧検出回路１７は、高周波ノイズ除去回路４３からの出力電圧を増幅回路４５により約２０倍に増幅することにより、変極点の検出誤りを防止できるようになっている。微分回路４７は増幅回路４５が出力した出力電圧を微分して、変極点を抽出するようになっている。比較回路４９は、微分回路４７が出力した出力電圧と、所定の閾値電圧とを比較して、当該出力電圧が所定の閾値電圧を下回ったらそれまで出力していた電圧とは異なる電圧値の電圧を出力し、その後に当該出力電圧が所定の閾値電圧を越えたら出力電圧の電圧値を元に戻すようになっている。

次に、電圧検出回路１７の具体的な回路構成について図５を用いて説明する。図５は、電圧検出回路１７の具体的な回路構成の一例であって、電圧検出回路１７の動作シミュレーションに用いた回路図である。図５に示すように、電圧検出回路１７に備えられたサージ電圧除去回路４１は、ツェナーダイオード４１ａを有している。ツェナーダイオード４１ａの陰極は、入力端子１７ａに接続されている。ツェナーダイオード４１ａの陽極は、入力端子１７ｂ及びグラウンドに接続（接地）されている。当該陰極は、入力端子１７ａを介してスイッチング素子１６のドレイン端子Ｄ（不図示）に接続され、当該陽極は入力端子１７ｂを介してスイッチング素子１６のソース端子Ｓ（不図示）に接続されている。サージ電圧除去回路４１は、ツェナーダイオード４１ａのツェナー電圧以上の印加電圧が入力端子１７ａ，１７ｂに印加されると、当該印加電圧の電圧値をツェナーダイオード４１ａの順電圧まで低下させる。これにより、サージ電圧除去回路４１は、電圧検出回路１７に設けられた、サージ電圧除去回路４１以外の各回路４３〜４９に高電圧が印加されるのを防止するようになっている。

高周波ノイズ除去回路４３は、抵抗４３ａとコンデンサ４３ｂとで構成された低域通過フィルタを有している。抵抗４３ａの一端子は入力端子１７ａ及びツェナーダイオード４１ａの陰極に接続され、他端子はコンデンサ４３ｂの一方の電極に接続されている。コンデンサ４３ｂの他方の電極は、入力端子１７ｂ、ツェナーダイオード４１ａの陽極及びグラウンドに接続（接地）されている。抵抗４３ａの抵抗値とコンデンサ４３ｂの容量値は、当該低域通過フィルタの遮断周波数がソースドレイン間電圧Ｖｄｓに生じる変極点の周期の逆数よりも高くなるように設定される。これにより、高周波ノイズ除去回路４３は、ソースドレイン間電圧Ｖｄｓに生じる変極点を残したまま高周波ノイズのみを除去した電圧を出力することできる。本実施の形態では、高周波ノイズ除去回路４３は、受動型低域通過フィルタを有しているが、オペアンプ等を用いた能動型低域通過フィルタを有していてももちろんよい。

増幅回路４５は、オペアンプ４５ａと、オペアンプ４５ａの出力端子ＯＵＴとグラウンド間に直列接続された抵抗４５ｂ，４５ｃとを有している。抵抗４５ｂの一端子はオペアンプ４５ａの出力端子ＯＵＴに接続され、他端子は抵抗４５ｃの一端子に接続されている。抵抗４５ｃの他端子はグラウンドに接続（接地）されている。オペアンプ４５ａの非反転入力端子（＋）は、高周波ノイズ除去回路４３の抵抗４３ａの他端子及びコンデンサ４３ｂの一方の電極に接続されている。オペアンプ４５ａの反転入力端子（−）は、抵抗４５ｂの他端子及び抵抗４５ｃの一端子に接続されている。抵抗４５ｂ，４５ｃのそれぞれの抵抗値は、オペアンプ４５ａの増幅度が約２０となるように設定される。増幅回路４５は、非反転増幅回路として機能し、高周波ノイズ除去回路４３から出力された出力電圧の位相を反転せずに増幅して出力するようになっている。

微分回路４７は、コンデンサ４７ａと抵抗４７ｂとで構成された高域通過フィルタを有している。コンデンサ４７ａの一方の電極は、増幅回路４５のオペアンプ４５ａの出力端子ＯＵＴと抵抗４５ｂの一端子とに接続され、他方の電極は抵抗４７ｂの一端子に接続されている。抵抗４７ｂの他端子は、比較回路４９のオペアンプ４９ａ（詳細は後述）の反転入力端子（−）と、閾値電圧生成回路４８のツェナーダイオード４８ｂ（詳細は後述）の陰極とに接続されている。コンデンサ４７ａの容量値と抵抗４７ｂの抵抗値は、当該高域通過フィルタの遮断周波数がソースドレイン間電圧Ｖｄｓに生じる変極点の周期の逆数よりも低くなるように設定される。これにより、微分回路４７は、ソースドレイン間電圧Ｖｄｓに生じる変極点の変化、すなわち変極点におけるソースドレイン電圧Ｖｄｓの電位変動を喪失せずに出力することができる。本実施の形態では、微分回路４７は、受動型高域通過フィルタを有しているが、オペアンプ等を用いた能動型高域通過フィルタを有していてももちろんよい。

電圧検出回路１７は、微分回路４７の出力バッファとして機能するバッファアンプ６７を有している。バッファアンプ６７はオペアンプ６７ａを有している。オペアンプ６７ａの非反転入力端子（＋）は微分回路４７のコンデンサ４７ａの他方の電極及び抵抗４７ｂの一端子に接続されている。オペアンプ６７ａの反転入力端子（−）と出力端子ＯＵＴとは接続されている。バッファアンプ６７は、ボルテージフォロワ回路構成を有し、微分回路４７から入力した入力電圧を増幅せず（増幅度は１）に出力する。

比較回路４９はバッファアンプ６７の出力電圧が入力するようになっている。すなわち、微分回路４７の出力電圧はバッファアンプ６７を介して比較回路４９に入力するようになっている。比較回路４９はバッファアンプ６７の出力電圧の電圧レベルと、閾値電圧生成回路４８で生成した閾値電圧の電圧レベルとを比較する。比較回路４９は、オペアンプ４９ａと抵抗４９ｂ，４９ｃとを有している。抵抗４９ｂの一端子はバッファアンプ６７のオペアンプ６７ａの反転入力端子（−）及び出力端子ＯＵＴに接続され、他端子はオペアンプ４９ａの非反転入力端子（＋）及び抵抗４９ｃの一端子に接続されている。オペアンプ４９ａの出力端子ＯＵＴは抵抗４９ｃの他端子に接続されている。比較回路４９は、ヒステリシスコンパレータである。比較回路４９は、オペアンプ４９ａの非反転入力端子（＋）に入力する入力電圧の上昇時と下降時とで閾値の電圧レベルが異なるように、閾値にヒステリシスを設けている。これにより、比較回路４９は、当該入力電圧に重畳するノイズ信号による誤動作を防止するようになっている。当該ヒステリシスの幅、すなわち入力電圧の上昇時の閾値（閾値電圧の下限値）と、下降時の閾値（閾値電圧の上限値）との差は、抵抗４９ｂ，４９ｃの抵抗値で決定され、変極点における微分波形の電圧変動よりも小さくなるように設定される。

電圧検出回路１７は、比較回路４９に備えられたオペアンプ４９ａの反転入力端子（−）に入力される閾値電圧を生成する閾値電圧生成回路４８を有している。閾値電圧生成回路４８は、抵抗４８ａとツェナーダイオード４８ｂとを有している。抵抗４８ａの一端子はアナログ用のアナログ電源Ｖａ（例えば、１２Ｖ）の電圧出力端子に接続され、他端子はツェナーダイオード４８ｂの陰極と、微分回路４７ｂの抵抗４７ｂの他端子と、オペアンプ４９ａの反転入力端子（−）に接続されている。ツェナーダイオード４８ｂの陽極はグラウンドに接続（接地）されている。比較回路４９に入力される閾値電圧は、アナログ電源Ｖａの電圧値を、抵抗４８ａの抵抗値とツェナーダイオード４８ｂの抵抗値とで抵抗分割した値となる。

微分回路４７の抵抗４７ｂの他端子は、抵抗４８ａとツェナーダイオード４８ｂとが接続された接続部に接続されている。このため、微分回路４７の出力電圧は全体的に、閾値電圧の電圧レベルにレベルシフトされる。
増幅回路４５のオペアンプ４５ｂ及びバッファアンプ６７のオペアンプ６７ａの正電源入力端子は、アナログ電源Ｖａの電圧出力端子に接続され、負電源入力端子はグラウンドに接続（接地）されている。比較回路４９のオペアンプ４９ａの正電源入力端子は、デジタル用のデジタル電源Ｖｄ（例えば、５Ｖ）の電圧出力端子に接続され、負電源入力端子はグラウンドに接続（接地）されている。

図示は省略するが、電圧検出回路１７は例えば、比較回路４９の出力電圧が入力する発光素子駆動回路と、当該発光素子駆動回路で駆動され、外部から発光状態を視認できる発光素子とを有している。当該発光素子駆動回路は、一対の接点３３が離間状態から接触状態に移行開始した時刻、すなわちスイッチング素子駆動回路１８がスイッチング素子１６のゲート端子Ｇにゲート信号の入力を開始してから所定時間内に当該出力電圧の電圧レベルに変化がないと、発光素子を点灯して一対の接点３３に不具合が生じていることを電磁接触器１の使用者に報知するようになっている。このように、電圧検出回路１７は、比較回路４９の出力電圧を一対の接点３３に不具合が生じているか否かを検出する検出信号として用いるようになっている。

図５に示す、回路６１は、スイッチング素子１６のソースドレイン間電圧Ｖｄｓを模擬する模擬電圧生成回路であり、回路６３は、電圧検出回路１７の耐電圧検査用回路であり、回路６５は、オペアンプ４５ｂの入力保護の検査用回路であって、いずれも電圧検出回路１７の動作シミュレーション用回路であるため、詳細な説明は省略する。

次に、電圧検出回路１７の動作シミュレーション結果について図６を用いて説明する。図６は、電圧検出回路１７の各部の電圧波形のシミュレーション結果を示している。図中最上段には、ソースドレイン間電圧Ｖｄｓの電圧波形が示され、２段目には、図５に示す回路６１の出力電圧Ｖ１の電圧波形が示され、３段目には、サージ電圧除去回路４１の出力電圧Ｖ２の電圧波形が示され、４段目には、高周波ノイズ除去回路４３の出力電圧Ｖ３の電圧波形が示され、５段目には、微分回路４７の出力電圧と同波形である、バッファアンプ６７の出力電圧Ｖ４の電圧波形が示され、最終段には、比較回路４９の出力電圧Ｖ５の電圧波形が示されている。各電圧Ｖｄｓ，Ｖ１〜Ｖ５において、縦軸は電圧を表し、横軸は時間を表している。図中左から右に向かって時間の経過を示している。なお、３段目から最終段に示す各電圧Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５は、最上段に示すソースドレイン間電圧Ｖｄｓに対して、変極点の生じるタイミングを変えずに、電圧上昇の開始タイミングが１ｍｓ遅く、かつ経過時間２４ｍｓで立ち下がる電圧波形となっている。ソースドレイン間電圧Ｖｄｓに対して各電圧Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５の電圧波形を異ならせているのは、シミュレーションにおいて、出力電圧Ｖ１のスイッチングノイズによる誤検出を防止するためである。これらの電圧波形の動作タイミングは、図５に示す回路６３，６５により異ならされている。

図６の２段目に示すように、時刻ｔ０〜ｔ１において、回路６１から出力された高電圧（例えば、２００Ｖ一定）の出力電圧Ｖ１は、サージ電圧除去回路４１により除去される。このため、図６の３段目以降に示すように、時刻ｔ０〜ｔ１において、サージ電圧除去回路４１の出力電圧Ｖ２及び高周波ノイズ除去回路４３の出力電圧Ｖ３は約０Ｖ一定となり、バッファアンプ６７の出力電圧Ｖ４は、レベルシフトされているので約３Ｖ一定となる。また、時刻ｔ０〜ｔ１の期間において、比較回路４９のオペアンプ４９ａの非反転入力端子（＋）に入力する出力電圧Ｖ４の電圧値は、反転入力端子（−）に入力する閾値電圧の下限値よりも高いので、比較回路４９の出力電圧Ｖ５はハイレベル（例えば、約３Ｖ一定）となる。なお、本例では、閾値電圧は、時刻ｔ０〜ｔ１の期間の出力電圧Ｖ４と同電圧であり、下限値は、当該期間の出力電圧Ｖ４よりも例えば数ｍＶから数十ｍＶ低い値となる。

本シミュレーションでは、時刻ｔ１以降において、回路６１は、図中上段に示すソースドレイン間電圧Ｖｄｓと同波形の出力電圧Ｖ１を出力するように設定されているので、サージ電圧除去回路４１の出力電圧Ｖ２は、出力電圧Ｖ１と同波形となり、高周波ノイズ除去回路４３の出力電圧Ｖ３は、出力電圧Ｖ２から高周波ノイズを除去した電圧波形となり、バッファアンプ６７の出力電圧Ｖ４は出力電圧Ｖ３の微分波形となる。また、時刻ｔ１〜ｔ２の期間において、比較回路４９のオペアンプ４９ａの非反転入力端子（＋）に入力する出力電圧Ｖ４の電圧値は、反転入力端子（−）に入力する閾値電圧の上限値よりも高いので、比較回路４９の出力電圧Ｖ５はハイレベルが維持される。なお、本例では、閾値電圧の上限値は、時刻ｔ０〜ｔ１の期間の出力電圧Ｖ４よりも例えば数ｍＶから数十ｍＶ高い値となる。

時刻ｔ２〜ｔ５の期間において、回路６１の出力電圧Ｖ１に変極点が生じる。変極点の開始時刻ｔ２において、それまで上昇していた出力電圧Ｖ３の電圧値は低下し始める。このため、一定電圧に収束し始めていた出力電圧Ｖ４は、時刻ｔ２から再び低下し始め、時刻ｔ３において、比較回路４９のオペアンプ４９ａの非反転入力端子（＋）に入力する出力電圧Ｖ４の電圧値が反転入力端子（−）に入力する閾値電圧の上限値よりも低くなる。これにより、時刻ｔ３において、比較回路４９の出力電圧Ｖ５はロウレベルに移行する。

低下した出力電圧Ｖ３は再び上昇し始める。このため、出力電圧Ｖ４も上昇し始め、時刻ｔ４において、比較回路４９のオペアンプ４９ａの非反転入力端子（＋）に入力する出力電圧Ｖ４の電圧値が反転入力端子（−）に入力する閾値電圧の下限値よりも高くなる。これにより、時刻ｔ４において、比較回路４９の出力電圧Ｖ５はハイレベルに移行する。
その後、回路６１の出力電圧Ｖ１が０Ｖになるまで、比較回路４９のオペアンプ４９ａの非反転入力端子（＋）に入力する出力電圧Ｖ４の電圧値は、反転入力端子（−）に入力する閾値電圧の下限値よりも高いので、比較回路４９の出力電圧Ｖ５はハイレベルが維持される。

このように、電圧検出回路１７は、一対の接点３３が離間状態から接触状態に移行する際にスイッチング素子１６のソースドレイン間電圧Ｖｄｓに生じる変極点を検出することができる。このため、電磁接触器１は、一対の接点３３が離間状態から接触状態に移行を開始した時刻（本例では、時刻ｔ１）から所定期間内（本例では、時刻ｔ１から６〜７．５ｍｓ程度の期間）に出力電圧Ｖ５がロウレベルにならない場合には、一対の接点３３に不具合が生じていると判定することができる。

次に、本実施の形態による電磁接触器１の動作について図１から図６を再度用いて説明する。電磁石ユニット３における励磁コイル２３が非通電状態にあって、電磁石ユニット３で可動プランジャ２５を可動させる励磁力を発生していないものとする。この状態では、可動プランジャ２５が復帰スプリング３１によって、上部磁気ヨーク２２から離れる下方向に付勢されて、ゴム座２７に当接した状態となる。このため、可動プランジャ２５に連結軸２８を介して連結された接触子ホルダ１３に支持された可動接触子１１は、固定接触子６ａ，６ｂの小径円柱部８の下端面から所定のギャップを挟んで対向しており、接点装置２が開極（釈放）状態となっている。

接点装置２の開極状態において、電磁石コイル制御回路３４のスイッチング素子駆動回路１８を駆動してスイッチング素子１６がオン状態になると、電源回路１０から電流が流れ、電磁石ユニット３の励磁コイル２３は通電される。これにより、電磁石ユニット３で発生した励磁力は可動プランジャ２５を復帰スプリング３１に抗して上方に押し上げる。これに応じて、可動プランジャ２５に連結軸２８を介して連結されている接触子ホルダ１３が上方に移動し、可動接触子１１が固定接触子６ａ，６ｂの小径円柱部８の底面に接触スプリング１４の接触圧で接触し、一対の接点３３が接触状態になる。これにより、接点装置２は、電源回路５ｄから出力端子５ａ、外部接続端子板１５ａ、固定接触子６ａ、可動接触子１１、固定接触子６ｂ、外部接続端子板１５ｂ及び入力端子５ｂを通じて電流が負荷５ｃに供給される閉極（投入）状態となる。

接点装置２の閉極状態から負荷５ｃへの電流供給を遮断する場合には、スイッチング素子駆動回路１８を非駆動状態としてスイッチング素子１６をオフ状態とし、電磁石ユニット３の励磁コイル２３への電圧印加及び電流供給を停止する。これにより、電磁石ユニット３で可動プランジャ２５を上方に移動させる励磁力がなくなることにより、可動プランジャ２５が復帰スプリング３１の付勢力によって下降する。可動プランジャ２５が下降することにより、連結軸２８を介して連結された接触子ホルダ１３が下降し、これに応じて接触スプリング１４で接触圧を与えている間は可動接触子１１が固定接触子６ａ，６ｂに接触している。その後、接触スプリング１４の接触圧がなくなった時点で可動接触子１１が固定接触子６ａ，６ｂから下方に低下し、接点装置２は一対の接点３３を離間状態とする開極状態となる。

接点装置２が開極状態となると、固定接触子６ａ，６ｂと可動接触子１１との間にアークが発生する。このアークは、図示しないアーク消弧用永久磁石によって大きく引き伸ばされて消弧される。
このようにして、電磁石ユニット３の励磁コイル２３を非通電状態及び通電状態に制御することにより、接点装置２が一対の固定接触子６ａ，６ｂから可動接触子１１が所定ギャップを保って離間している開極状態と、一対の固定接触子６ａ及び６ｂに可動接触子１１が接触する閉極状態とに動作される。

一対の接点３３が接触状態となると、図３に示すように、スイッチング素子１６のソースドレイン間電圧Ｖｄｓに変極点が生じる。図５及び図６を用いて説明したように、電圧検出回路１７は、当該変極点を検出したら、例えば不図示の発光素子の非点灯状態を維持して一対の接点３３が正常に動作していることを電磁接触器１の使用者に報知する。一方、一対の接点３３に異常が生じて離間状態のままであると、スイッチング素子１６のソースドレイン間電圧Ｖｄｓには変極点が生じない。このため、電圧検出回路１７は、一対の接点３３が離間状態から接触状態に移行開始した時刻から所定時間内に当該変極点を検出できないので、例えば不図示の発光素子を点灯して一対の接点３３に不具合が生じていることを電磁接触器１の使用者に報知する。

以上説明したように、本実施の形態による電磁接触器１は、接離可能に対向配置された一対の接点３３と、一対の接点３３の接離を制御する励磁コイル２３と、励磁コイル２３に直列に接続され、励磁コイル３３に供給する電流を制御するスイッチング素子１６と、スイッチング素子１６の端子間電圧（ソースドレイン間電圧Ｖｄｓ）を検出する電圧検出回路１７とを有している。これにより、電磁接触器１の外装ケース２０が不透明であって一対の接点３３が外部から視認できない場合や、外装ケース３０が透明であっても、電磁接触器１が所定箇所に取り付けられて一対の接点３３が外部から視認できない場合であっても、一対の接点３３の導通を検出することができる。また、本実施の形態による電磁接触器１によれば、一対の接点３３の目視での確認や主回路５の例えば負荷５ｃに流れる電流を測定する必要がなくなる。

また、電磁接触器１に備えられた電圧検出回路１７は、一対の接点３３が接触することに基づいて発生するスイッチング素子１６のソースドレイン間電圧Ｖｄｓに生じる変極点を検出するようになっている。当該構成を備えた電磁接触器１によれば、一対の接点３３を目視できない場合であっても、一対の接点３３の導通を検出することができる。
また、電圧検出回路１７は、一対の接点３３が離間状態から接触状態に移行を開始してから所定期間内に変極点が生じるか否かを検出することができる。当該構成を備えた電磁接触器１によれば、一対の接点３３が接触状態となるように駆動されているにも関わらず、固定接触子６ａ，６ｂと可動接触子１１とが接触していないことを検出できる。

また、電圧検出回路１７は、ソースドレイン間電圧Ｖｄｓに重畳するサージ電圧を除去するサージ電圧除去回路４１と、サージ電圧除去回路４１が出力した出力電圧に重畳する高周波ノイズ信号を除去する高周波ノイズ除去回路４３と、高周波ノイズ除去回路４３が出力した出力電圧の電圧レベルを増幅する増幅回路４５と、増幅回路４５が出力した出力電圧を微分する微分回路４７と、微分回路４７が出力した出力電圧と、所定の閾値電圧とを比較する比較回路４９とを有している。当該構成を備えた電磁接触器１によれば、ソースドレイン間電圧Ｖｄｓからサージ電圧やノイズ信号を除去するとともに、ソースドレイン間電圧Ｖｄｓに生じる変極点における数十ｍＶ程度の電圧変動を増幅して検出することができる。

また、電磁接触器１は、一対の接点３３を収容する不透明な収容ケース（外装ケース２０）を有している。当該構成を備えた電磁接触器１によれば、一対の接点３３が不透明な外装ケース２０に収容されて視認できない状態であっても、一対の接点３３が導通しているか否かを検出することができる。
また、一対の接点３３の一方は、電流路に介挿され、外装ケース３３内に所定間隔を保って固定配置された一対の固定接触子６ａ，６ｂであり、一対の接点３３の他方は、一対の固定接触子６ａ，６ｂに対して接離可能に配設された可動接触子１１である。当該構成を備えた電磁接触器１によれば、固定接触子６ａ，６ｂ及び可動接触子１１が外部から視認できない状態であっても、固定接触子６ａ，６ｂと可動接触子１１と接触状態であるか離間状態であるかを検出することができる。

１ 電磁接触器
２ 接点装置
３ 電磁石ユニット
４ 接点収納ケース
４ａ 桶状体
４ｂ 接合部材
４ｃ 金属筒体
５ 主回路
５ａ 出力端子
５ｂ 入力端子
５ｃ 負荷
５ｄ，１０ 電源回路
６ａ，６ｂ 固定接触子
９ 制御回路基板
１１ 可動接触子
１３ 接触子ホルダ
１４ 接触スプリング
１５ａ，１５ｂ 外部接続端子板
１６ スイッチング素子
１７ 電圧検出回路
１７ａ，１７ｂ 入力端子
１８ スイッチング素子駆動回路
２０ 外装ケース
２０ａ 有底筒体
２０ｂ 底板
２１ 磁気ヨーク
２２ 上部磁気ヨーク
２３ 励磁コイル
２４ コイルホルダ
２５ 可動プランジャ
２６ キャップ
２８ 連結軸
３１ 復帰スプリング
３３ 一対の接点
３４ 電磁石コイル制御回路
３５ 基板ケース
４１ サージ電圧除去回路
４１ａ，４８ｂ ツェナーダイオード
４３ 高周波ノイズ除去回路
４３ａ，４５ｂ，４５ｃ４８ａ，４９ｂ，４９ｃ 抵抗
４３ｂ，４７ａ コンデンサ
４５ 増幅回路
４５ａ，４９ａ，６７ａ オペアンプ
４７ 微分回路
４９ 比較回路
６７ バッファアンプ

Claims (7)

1. 接離可能に対向配置された一対の接点と、
   前記一対の接点の接離を制御する電磁石のコイルと、
   前記コイルに直列に接続され、前記コイルに供給する電流を制御するスイッチング素子と、
   前記スイッチング素子の端子間電圧を検出する電圧検出回路と
   を有することを特徴とする電磁接触器。
2. 前記端子間電圧に基づいて前記一対の接点の動作状態を表示する表示部を有すること
   を特徴とする請求項１記載の電磁接触器。
3. 前記電圧検出回路は、前記一対の接点が接触することに基づいて発生する前記端子間電圧に生じる変極点を検出すること
   を特徴とする請求項１又は２に記載の電磁接触器。
4. 前記電圧検出回路は、前記一対の接点が離間状態から接触状態に移行を開始してから所定期間内に前記変極点が生じるか否かを検出すること
   を特徴とする請求項３記載の電磁接触器。
5. 前記電圧検出回路は、
   前記端子間電圧に重畳するサージ電圧を除去するサージ電圧除去回路と、
   前記サージ電圧除去回路が出力した出力電圧に重畳する高周波ノイズ信号を除去する高周波ノイズ除去回路と、
   前記高周波ノイズ除去回路が出力した出力電圧の電圧レベルを増幅する増幅回路と、
   前記増幅回路が出力した出力電圧を微分する微分回路と、
   前記微分回路が出力した出力電圧と、所定の閾値電圧とを比較する比較回路と
   を有すること
   を特徴とする請求項１から４までのいずれか一項に記載の電磁接触器。
6. 前記一対の接点を収容する不透明な収容ケースを有すること
   を特徴とする請求項１から５までのいずれか一項に記載の電磁接触器。
7. 前記一対の接点の一方は、電流路に介挿され、前記収容ケース内に所定間隔を保って固定配置された一対の固定接触子であり、
   前記一対の接点の他方は、前記一対の固定接触子に対して接離可能に配設された可動接触子であること
   を特徴とする請求項６記載の電磁接触器。

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