(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
有接点スイッチである電磁接触器と、無接点スイッチである半導体ユニットとを並列に接続し、電流の投入および遮断を半導体スイッチング素子により行い、電流投入後の通電を電磁接触器により行うようにしたハイブリッドスイッチにおいて、前記半導体スイッチング素子からなるパワー部と、過電圧から前記半導体スイッチング素子にかかろうとする過電圧を抑制するスナバ回路と、前記電磁接触器主接点を開成駆動する電磁石コイルの操作電圧の印加解除の時点と、電磁接触器主接点と連動して電磁接触器主接点と開閉状態が逆になる補助接点の開成時点とを検出して前記半導体スイッチング素子に点弧パルスを出力する制御部とを階層状に積み上げて半導体ユニットのケースに収納して構成されるとともに、外部接続導体とともに電磁接触器の主回路端子に共締めされて半導体ユニットを電磁接触器本体に一体化する主回路端子を備えていることを特徴とするハイブリッドスイッチ。
【請求項２】
請求項１記載のハイブリッドスイッチにおいて、前記半導体ユニットから引き出される導出導体は、前記半導体ユニットのケースの注型成形時に前記半導体ユニットのケースの合成樹脂からなる周壁中の対向する２壁内に埋め込まれ絶縁が図られていることを特徴とするハイブリッドスイッチ。
【請求項３】
請求項１記載のハイブリッドスイッチにおいて、前記半導体ユニットは、電磁接触器本体のケースに形成された当該電磁接触器本体のカバーを取り付けるための係止部に係合するためのフックを有することを特徴とするハイブリッドスイッチ。
【請求項４】
請求項１記載のハイブリッドスイッチにおいて、前記半導体ユニットは、底面に、電磁接触器本体の頂面に備えられた外部部材を係合させるための係合部と係合するＬ字状係合片を有することを特徴とするハイブリッドスイッチ。
【請求項５】
請求項１記載のハイブリッドスイッチにおいて、前記半導体ユニットは、前記半導体ユニットの底面に、当該半導体ユニットのケースから着脱可能に構成された付属底面を備え、この付属底面に、電磁接触器本体の頂面に備えられた外部部材を係合させるための係合部と係合するＬ字状係合片を有することを特徴とするハイブリッドスイッチ。
【請求項６】
請求項１記載のハイブリッドスイッチにおいて、前記半導体ユニットは、前記半導体ユニットの底面に、当該半導体ユニットのケースから着脱可能に構成された付属底面を備え、この付属底面に、電磁接触器本体の頂面に備えられた外部部材を係合させるための係合部と係合するＬ字状係合片を有し、かつ前記主回路端子が取り付けられてなることを特徴とするハイブリッドスイッチ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、有接点スイッチである電磁接触器と、無接点スイッチである半導体ユニットとを並列に接続し、電流の投入および遮断は半導体スイッチにより、また投入により流れを開始した後の電流の通電は電磁接触器で行うようにして、電流開閉時の電磁接触器主接点でのアーク発生を抑制することにより電磁接触器の長寿命化を図ったハイブリッドスイッチに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種のハイブリッドスイッチは、それぞれ単体使用を標準使用方法とした電磁接触器と半導体接触器とを個別に使用場所の固定フレームに取り付け、両者の並列接続を外部配線導体を用いて行ったものが用いられており、例えば図１０のように構成される。図において、破線が外部配線導体であり、５３ａは電磁接触器の主接点、５３ｂは主接点５３ａと連動し主接点５３ａのオフ状態でオン状態となる常閉補助接点、５３は主接点５３ａを投入駆動する電磁石コイル、５４は双方向３端子サイリスタ（通称トライアック（ＧＥ社商品名）、以下トライアックと記す）、５５は抵抗、５１は主回路電源、５２は負荷である。図は主接点５３ａのオフ状態を示しており、この状態から電磁石コイル５３に通電して主接点５３ａを閉成駆動すると、主接点５３ａが閉成される前に常閉補助接点５３ｂがオフされ、抵抗５５を介してゲームＧとカソードＫとの間に電圧がかかってトライアック５４に負荷電流が流れ、これにより主接点５３ａの端子電圧が実質零となり、無アークにて主接点５３ａの閉成が行われ、接点の消耗を避けることができる。主接点５３ａの閉成後はトライアック５４を流れていた負荷電流が、端子間電位降下がはるかに小さくなる主接点５３ａに移り、トライアック５４は主接点１ａの閉成時点までに過度電流を含む負荷電流を短時間流すのみで、長時間通電の責務から開放される。また、負荷電流遮断のために電磁石コイル５３への通電を停止し、図示されない復帰ばねで主接点５３ａを開成駆動するときは、主接点５３ａの開成後もわずかの時間、常閉補助接点５３ｂがオフ状態にあるので、主接点５３ａにアークが発生してアーク電圧が立ち上がろうとすると、わずかのアーク電圧でトライアック５４がオン状態となり、発生しかかったアークが消滅して主接点５３ａは無電流状態となり、主接点５３ａがさらに開成駆動されると常閉補助接点５３ｂがオンしてトライアック５４がオフし、最終的に負荷電流が遮断される。以上により、半導体接続器の小形化と電磁接触器の長寿命化とが可能になる。
【０００３】
しかし、このように構成される従来のハイブリッドスイッチは、主接点５３ａに接触不良が生じると、主接点５３ａがオン状態で主接点５３ａでの電位降下によりトライアック５４がオン状態となり、トライアック５４の熱負荷が大きくなる。また、常閉補助接点５３ｂに接触不良が生じると、主接点５３ａがオフ状態でトライアック５４のゲートＧとカソードＫとの間に電圧がかかり、無用に負荷電流が流れ、トライアック５４に熱負荷が課せられる。さらに、電磁石コイルに供給する操作電圧が規定値以下のときに主接点５３ａを閉成駆動すると、主接点５３ａが閉成動作の慣性で最終閉成静止位置近くまで到達できても閉成位置に保持されず、復帰スプリングで開成方向に駆動され、復帰スプリングが伸びて力が弱くなると再び閉成駆動化され、この繰返しでトライアック５４の熱負荷が大きくなる。
【０００４】
これらの問題点を解決するために、トライアックに大電流定格のものを用いると、その冷却装置を含めた半導体接触子が大形化し、ハイブリッドスイッチが高価となるため、さきに本発明出願人から特願平５−２９５７８９号にて、上記問題を安価に解決可能なハイブリッドスイッチの構成が提案されている。この構成の詳細は実施例の項で説明するが、主要点は、オフ状態にある主接点を閉成駆動するときには常閉補助接触子の開成時点を検出して時間幅の短いワンショットパルスを発生し、このパルス幅の時間だけトライアックのゲートに電圧を供給し、オン状態にある主接点を開成駆動するきとには電磁石コイルに供給されている操作電圧の供給停止時点を検出して時間幅の短いワンショットパルスを発生し、パルス幅の時間だけトライアックのゲートに電圧を供給するようにするものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記いずれの構成においても、従来のハイブリッドスイッチは、電磁接触器と半導体接触器とをそれぞれ個別に固定フレームに固定した後，外部配線接続されたものが用いられ、このために配線が面倒であり、加えて配線ミスによるスイッチング動作上のトラブルや据付け面積が大きくなる等の問題があった。
【０００６】
本発明の目的は、電磁接触器と半導体接触器との並列化を配線ミスを生じる惧れなく容易に行うことができ、かつ並列化の結果、構造体として小形化されるハイブリッドスイッチの構成を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明においては、有接点スイッチである電磁接触器と、無接点スイッチである半導体ユニットとを並列に接続し、電流の投入および遮断を半導体スイッチング素子により行い、電流投入後の通電を電磁接触器により行うようにしたハイブリッドスイッチにおいて、前記半導体スイッチング素子からなるパワー部と、過電圧から前記半導体スイッチング素子にかかろうとする過電圧を抑制するスナバ回路と、前記電磁接触器主接点を開成駆動する電磁石コイルの操作電圧の印加解除の時点と、電磁接触器主接点と連動して電磁接触器主接点と開閉状態が逆になる補助接点の開成時点とを検出して前記半導体スイッチング素子に点弧パルスを出力する制御部とを階層状に積み上げて半導体ユニットのケースに収納して構成されるとともに、外部接続導体とともに電磁接触器の主回路端子に共締めされて半導体ユニットを電磁接触器本体に一体化する主回路端子を備えていることを特徴とするハイブリッドスイッチ。
【０００８】
前記半導体ユニットから引き出される導出導体は、前記半導体ユニットのケースの注型成形時に前記半導体ユニットのケースの合成樹脂からなる周壁中の対向する２壁内に埋め込まれ絶縁が図るのがよい。
【０００９】
また、前記半導体ユニットは、請求項３記載のごとく、電磁接触器本体のケースに形成された当該電磁接触器本体のカバーを取り付けるための係止部に係合するためのフックを有するようにしてもよい。 
【００１０】
また、前記半導体ユニットは、請求項４記載のごとく、底面に、電磁接触器本体の頂面に備えられた外部部材を係合させるための係合部と係合するＬ字状係合片を有するようにしてもよい。
【００１１】
また、前記半導体ユニットは、請求項５記載のごとく、前記半導体ユニットの電磁接触器と向かい合わさる側の底面に、当該半導体ユニットのケースから着脱可能に構成された付属底面を備え、この付属底面に、電磁接触器本体の頂面に備えられた外部部材を係合させるための係合部と係合するＬ字状係合片を有するようにしてもよい。
【００１２】
さらに、前記半導体ユニットは、請求項６記載のごとく、前記半導体ユニットの電磁接触器と向かい合わさる側の底面に、当該半導体ユニットのケースから着脱可能に構成された付属底面を備え、この付属底面に、電磁接触器本体の頂面に備えられた外部部材を係合させるための係合部と係合するＬ字状係合片を有し、かつ前記主回路端子が取り付けられてなるのがよい。
【００１４】
【作用】
請求項１記載のハイブリッドスイッチにおいては、電磁接触器に、半導体ユニットから引き出された導出導体の主回路端子が電磁接触器の主回路端子に積み上げるように一体化し、半導体ユニットの主回路端子と電磁接触器の主回路端子とを端子に共締めすることにより、電磁接触器の主接点に並列に半導体ユニットの半導体スイッチ素子が接続されるとともに、半導体ユニットの回路素子部分を、パワー部、スナバ回路部、制御部の３つの機能に分割して階層状に積み上げるので、半導体ユニットを小形化することができる。
【００１５】
請求項２記載のハイブリッドスイッチにおいては、半導体ユニットから引き出される導出導体の絶縁がケースの注型成形と同時に行われる。
【００１６】
請求項３記載のハイブリッドスイッチにおいては、電磁接触器に形成されている該電磁接触器のカバーを取付けるための係止部を利用して半導体ユニットを電磁接触器に取付けることができる。
【００１７】
請求項４記載のハイブリッドスイッチにおいては、電磁接触器に形成された外部部材を係合させるための係合部を利用して半導体ユニットを電磁接触器に固定することが可能である。
【００１８】
請求項５および６記載のハイブリッドスイッチにおいては、電磁接触器本体の頂面に付属底面を固定した後、この付属底面に半導体ユニットが取り付けられるので、その一体化作業が容易である。
【００２０】
【実施例】
図１および図５に本発明の第１の実施例を示す。この実施例では、半導体ユニット本体を構成する回路素子を収納するケース２は、水平断面の周縁形状が方形に形成された周壁３と、周壁３の上端面を覆うカバー４と、ケース２の内部空間を画成する底面５とを主要部材として構成されている。ケース２の内部空間内には、回路素子を分類して構成した，点弧パルスの印加により主回路電流が通流するパワー部６と、パワー部６を構成する回路素子にかかろうとする過電圧を抑制するスナバ回路部７と、図示されない電磁接触器主接点を閉成駆動する電磁石コイルへの操作電圧の印加解除の時点と，電磁接触器主接点と連動して電磁接触器主接点と開閉状態が逆になる補助接点の開成時点とを検出して各時点でそれぞれ、みずからの備える点弧回路からワンショットの点弧パルスをパワー部６の点弧回路へ向けて出力する制御部８とが階層に積み上げられ、ケース２とともに半導体ユニットの本体を構成している。ここで、ケース２は、周壁３とカバー４とが注型樹脂で成形され、底面５は金属板で形成している。そして、パワー部６を構成する半導体スイッチ素子には、この実施例ではサイリスタを用いサイリスタを逆並列に接続して両端子を半導体ユニット本体の外部への導出端としており、この導出端からの導出導体９が下方へ引き出される。この導出導体９は厚みのあるストリップ状の圧延銅帯からなり、周壁３の注型成形時に周壁３中の対向２壁内に埋め込まれ、その下方端部で露出して外方へ折れ曲がった部分が半導体ユニットの主回路端子９Ａを構成する。この主回路端子９Ａは、図示されない外部接続導体とともに電磁接触器１の主回路端子１Ａに共締めされ、このとき、その剛性により半導体ユニットを電磁接触器１に剛に一体化する。また、導出導体９が合成樹脂からなる周壁中の対向２壁内に埋め込まれているので、電磁接触器本体ケースカバーの上面に形式銘板等の金属部材が存在しても絶縁上の問題が生じることはない。
【００２１】
図２は、図１に示した半導体ユニットの回路構成を示す機能ブロック図であり３相中の１相分を示している。電磁接触器１の主接点１ａの両端子には、逆並列接続されたサイリスタＴＨＹ1，ＴＨＹ2の両端子が接続され、この両端子間にコンデンサＣと抵抗Ｒ1とを直列にした過電圧吸収回路と、過電圧の上限を設定するツェナーダイオードＺとが並列に接続され、また、前記両端子にはそれぞれダイオードＤ1と抵抗Ｒ2，ダイオードＤ2と抵抗Ｒ3からなるゲート回路が接続されている。そして、この主回路素子ブロック１６のうち、サイリスタＴＨＹ1とＴＨＹ2とで前述のパワー部６が構成され、残りがスナバ回路部７を構成する。図１に示した制御部８は、電磁接触器１の主接点１ａを投入駆動する電磁石コイルへの操作電圧が入力されてこれを整流平滑化する整流平滑回路１１と、整流平滑回路１１からの出力を入力し、操作電圧が規定値以上のときは高レベルの信号を、また操作電圧が規定値以下のときに低レベルの信号を出力する電圧検出回路１２と、電磁接触器１の主接点１ａと連動して主接点１ａと開閉状態が逆になる補助接点（以下補助常閉接点またはｂ接点という）１ｂの両端子が接続されてｂ接点閉成時には低レベル信号を反転させた反転信号を、またｂ接点開成時には高レベル信号を反転させた反転信号を出力する判別回路１３と、図３に示すように、電圧検出回路１２からの高レベル信号が低レベル信号へ、すなわち操作入力信号がオン状態からオフ状態へ変化したときに時間幅の短いワンショットパルスを発生するワンショットパルス発生回路１４２，判別回路１３からの反転信号が高レベル信号から低レベル進行へ、すなわちｂ接点１ｂが閉成状態から開成状態へ変化したときに時間幅の短いワンショットパルスを発生するワンショットパルス発生回路１４１，論理積回路ＡＮＤ１およびＡＮＤ２，論理和回路ＯＲ１を備えたワンショットパルス発生部１４と、ワンショットパルス発生部１４からの出力をフォトカプラＰＨＴ1，ＰＨＴ2，ＰＨＴ3で受け点弧パルスをワンショットパルスの時間幅出力する点弧回路１５とを備えている。従って、パワー部６における電流通流は、電磁接触器電磁石コイルに供給する操作電圧が規定値以上を保持し、かつｂ接点に接触不良がないときには、図４（Ａ）に示すように、短い時間幅で出力されるワンショットパルスの時間幅に応じ、電磁接触器の投入時に主接点閉成時点まで短時間（ｔa1）、また遮断時に主接点開成時点につづく短時間（ｔb2）のみの通電となり、また、操作電圧が規定値以上を保持し、かつｂ接点に接触不良が生じているときには、図４（Ｂ）に示すように、電磁接触器の投入時にパワー部６には電流が流れず、遮断時に短時間（ｔb2）のみ電流が流れる。また、操作電圧が規定値以上を保持するとともにｂ接点にも接触不良がなく、かつ主接点１ａに接触不良が生じている場合には、パワー部６には、図４（Ｃ）に示すように、電磁接触器の投入時，遮断時ともにいずれも点弧指令発令時点から点弧指令終了時点後の最初の交流電流波形の零点時点までの短時間（それぞれｔa3，ｔb3）のみ電流が流れる。また、操作電圧が規定値以下のときには、電磁接触器の投入時，遮断時ともにパワー部６には電流は流れない。
【００２２】
さらに、制御部の回路構成により、主接点１ａに接触不良が生じているときに図３と同様にワンショットパルス発生回路を利用してパワー部６の通電が行われないようにしたり、電磁接触器が高頻度開閉される場合にも、ワンショットパルス発生回路を用いて開閉の都度通電されないようにすることが可能である（より詳細は特願平５−２９５７８９号参照）。このような構成により、サイリスタの熱負荷を小さくすることができ、半導体ユニットを小形化することができる。
【００２３】
図６に本発明の第２の実施例を示す。この実施例では、電磁接触器１が単体では本体ケースがカバーを有し、このカバーが、主接点や開閉機構を内側に囲んでいる周壁の高さ方向上方端面を覆って周壁の係止部に係止されているところ、このカバーを取り外したときのみ図１あるいは図４に示した半導体ユニットを電磁接触器に一体化することができるよう、半導体ユニットの主回路端子９Ａとケース２の図示しない底面との相対位置を設定するとともに、ケース２の周壁３にフック３Ａを設け、このフック３Ａを電磁接触器本体ケース周壁の係止部１Ｂに係合させるようにしたものであり、ハイブリッドスイッチが小形化されるとともに、フック３Ａを係合させることにより、半導体ユニットと電磁接触器との主回路端子同志の位置合わせが自動的に行われ、締合わせ作業が容易になる。
【００２４】
図７に本発明の第３の実施例を示す。この実施例は、実施例１あるいは２の場合と形式の異なる電磁接触器を用いてハイブリッドスイッチを構成する場合の半導体ユニットの構成例を示すものであり、半導体ユニット本体ケースの周壁３と底面５とを合成樹脂で形成し、ケース２内に位置する半導体ユニット本体の導出端から延びる導出導体を周壁３中の対向２壁の内側に沿わせて底面５の外側へ導出し、先端部を外方へ折り曲げて主回路端子９Ａを形成するとともに、底面の外側に、電磁接触器がその本体ケース頂面に備えている，ケース周壁高さ方向に外部部材を係合させる係合部１Ｃと係合する係合部５Ｃを備えている。係合部は電磁接触器側，半導体ユニット側いずれもＬ字状の係合片４個からなり、電磁接触器と半導体ユニットとの主回路端子接続面同志を向かい合わせて近づけながら、半導体ユニット側の，面積が広く肉厚の薄い，剛性の小さいＬ字状係合片を撓ませて４個同時に係合させる。係合と同時に主回路端子同志の位置合わせが終わるので、締合わせを容易に行うことができる。
【００２５】
図８に本発明の第４の実施例を示す。この実施例は、第３の実施例における底面５を固定底面５Ａと付属底面５Ｂとの２重底面に構成したものである。付属底面５Ｂは固定底面５Ａの面に垂直方向に着脱可能に構成され、また固定底面５Ａから引き抜くこともできるので、電磁接触器と半導体ユニットとの一体化に当たり、まず、付属底面５Ｂを引き抜いてこれを電磁接触器１の頂面に係合させ、しかる後、付属底面５Ｂに半導体ユニット本体ケースを固定底面５Ａ側から挿し込んで取り付け、主回路接点同志の位置合わせが自動的に行われる。この場合は、電磁接触器頂面の係合部１Ｃへの半導体ユニットの係合を移動底面５Ｂ単体で行うことができるので、係合が容易に行われるメリットがある。
【００２６】
図９に本発明の第５の実施例を示す。この実施例でも、半導体ユニット本体ケースの底面５は固定底面５Ａと付属底面５Ｂとの２重底面として構成され、主回路端子９Ａは付属底面５Ｂに取り付けられている。半導体ユニットを電磁接触器１に一体化するときには、付属底面５Ｂを固定底面５Ａ側から抜き取り、これを電磁接触器頂面の係合部１Ｃに係合させた後、残りの半導体ユニット本体側を固定底面５Ａ側から付属底面５Ｂの案内部に沿って挿入し、主回路端子９Ａを半導体ユニット本体側の圧入端子に圧入させる。この構造にすると、半導体ユニット本体の内部点検や補修を主回路端子同志を締め合わせたまま行うことができ、運用面で多大の便宜が得られる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明においては、請求項１記載のようにハイブリッドスイッチを構成することにより、主回路端子同志の締合わせにより、半導体ユニットを電磁接触器に、外部配線等の面倒かつ配線が錯綜して配線ミスを生じやすい作業を必要とすることなく、主回路端子の剛性により、剛に一体化することが容易に可能になり、かつハイブリッドスイッチをコンパクトに形成することができる。
【００２８】
また、半導体ユニット自体の小形化が可能になり、これにより、ハイブリッドスイッチの取付けスペースが小さくなり、特に、ハイブリッドスイッチが隣接配置される制御盤の小形化が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明によるハイブリッドスイッチ構成の第１の実施例を、半導体ユニットの第１の実施例による構造断面を用いて示す図
【図２】  図１に示した半導体ユニットの回路構成を示す機能ブロック図
【図３】  図２に示した機能ブロック図におけるワンショットパルス発生部回路構成の一実施例を示す回路図
【図４】  図２に示した機能ブロック図における制御部のワンショットパルス発生部が図３の回路に構成されているときの制御部の働きを示す図であって、同図の（Ａ）は操作入力，ｂ接点ともに正常状態のときの、（Ｂ）はｂ接点に接触不良が生じているときの、また（Ｃ）は電磁接触器主接点に接触不良が生じているときの半導体ユニット各部の電流または電圧波形を示す図
【図５】  図１に構成の一実施例を示したハイブリッドスイッチにおける半導体ユニットと電磁接触器それぞれの外部構造を示す図であって、同図の（ａ）は半導体ユニットの外部構造を示す斜視図、（ｂ）は電磁接触器の外部構造を示す斜視図
【図６】  本発明によるハイブリッドスイッチ構成の第２の実施例を示すものであって、同図の（ａ）はこのハイブリッドスイッチを構成する半導体ユニットの外部構造を示す斜視図、（ｂ）は電磁接触器の外部構造を示す斜視図
【図７】  本発明によるハイブリッドスイッチ構成の第３の実施例を示すものであって、同図の（ａ）はこのハイブリッドスイッチを構成する半導体ユニットの外部構造を示す斜視図、（ｂ）は電磁接触器の外部構造を示す斜視図
【図８】  本発明によるハイブリッドスイッチ構成の第４の実施例を示すものであって、同図の（ａ）はこのハイブリッドスイッチを構成する半導体ユニットの外部構造を示す斜視図、（ｂ）は電磁接触器の外部構造を示す斜視図
【図９】  本発明によるハイブリッドスイッチ構成の第５の実施例を示すものであって、同図の（ａ）はこのハイブリッドスイッチを構成する半導体ユニットの外部構造を示す斜視図、（ｂ）は電磁接触器の外部構造を示す斜視図
【図１０】従来のハイブリッドスイッチ回路構成の一例を示す回路図
【符号の説明】
１     電磁接触器
１Ａ   主回路端子
１Ｂ   係合部
１Ｃ   係合部
２     ケース
３     周壁
３Ａ   フック（係合部）
４     カバー
５     底面
５Ａ   固定底面
５Ｂ   移動底面
５Ｃ   係合部
６     パワー部
７     スナバ回路部
８     制御部
９     導出導体
９Ａ   主回路端子
１０     半導体ユニット
１１     カバー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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