(57)【要約】【課題】回転形電気接点でのアーク放電の抑圧。【解決手段】  通電接点と並列に設けた過渡電流接点と直列にコンデンサとダイオードを接続、コンデンサと並列に抵抗を接続する。そして、過渡電流接点を通電接点開離時に閉成、通電接点開離後に開離する動作をさせる。通電接点を開離時に電流が過渡電流接点を流れてコンデンサを充電することで通電接点の電圧上昇を緩やかにし、アーク放電発生が抑圧される。このアーク放電抑圧法を回転スイッチに適用する。回転スイッチは固定電極と可動電極が対向した構造である。固定電極には電源電極と２つの負荷電極があり、それぞれが電源接点、通電接点、過渡電流接点として、可動電極は電源電極と接触する電源接点、別々の負荷電極と接触する通電接点、過渡電流接点の配置角度の異なる３つの接点があり、太い破線の下半分と上半分に対応する。また、複数の接点のアーク放電を１個のコンデンサでも防ぐことができる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定電極と可動電極が対向した構造の電気接点デバイスであり、固定電極には電源用電極と複数の負荷用電極が配置されており、可動電極には配置角度の異なる突起接点が複数あり、回転運動により対向した固定電極の電源電極と選択される負荷電極を決められた順序に従い閉成と開離を繰り返す回転スイッチデバイスであって、それぞれの負荷電極の開離時に発生するアーク放電を抑えるために、それぞれの負荷電極接点に並列に配置されて開離時には接触している過渡電流接点を有し、それに直列にコンデンサを接続することを特徴とする電気接点デバイス。
【請求項２】
請求項１のデバイスであって、可動電極の各突起接点は、それぞれの負荷電極に対して通電接点と、通電接点開離時に過渡電流を流す過渡電流接点の２つに分けられ、過渡電流接点は通電接点が開離する前後には接触しているような位置に配置されており、回転動作によって通電接点が固定電極と開離した後に、遅れて過渡電流接点が固定電極と開離する動作を特長とし、過渡電流接点に直列にダイオードとコンデンサを接続し、コンデンサには放電抵抗を並列接続した電気接点デバイス。
【請求項３】
請求項１または２のデバイスであって、各過渡電流接点に直列に１個または負荷電極数より少ない数の共通となるダイオードとコンデンサの組を接続し、コンデンサには並列に電荷放電のための抵抗を接続した電気接点デバイス。
【請求項４】
請求項３のデバイスであって、それぞれの負荷電極に対応する通電接点と過渡電流接点の各突起接点は、それぞれ決まった開離時間差があり、開離時のコンデンサへの充電は１回につき１つの負荷電極接点のみとする時間差を実現するように固定電極および回転突起接点を配置した電気接点デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
機械的に回転運動する摺動電気接点デバイスが対象である。機械的なスイッチは、半導体方式のスイッチに比べて、開離状態での電気抵抗が大きいことや、制御部と開閉回路部との絶縁にすぐれていること、製造コストが比較的安いことなどの特徴がある。情報機器、産業機器、自動車、家電などのあらゆる分野で、電源やアクチュエータやセンサ−などをふくむ回路の開閉に広く用いられている。これからも機械的なスイッチの生産量は増加を続けると言われている。回転形電気接点デバイスは、手動等で容易に多接点の回路を開閉できる。本発明は、大電流であっても回路を遮断する場合にアーク放電を発生しない回転形電気接点デバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
回転形電気接点デバイスは、自動車のイグニッションスイッチ等に多用されているが、自動車において使用される電力が増大し、遮断電流の増加が接点におけるアーク放電発生による信頼性の低下が問題となる場合がある［非特許文献１］。また、自動車における電源電圧の高電圧化が望まれ、イグニッションスイッチの高電圧対応が求められている。
一方、電気接点の開離時のアーク放電の抑圧手法の新提案がある［特許文献１］。図１はアーク放電抑圧手法を表す接点開離時の接点電圧・電流の変化である。従来の接点では、開離時接点電流・電圧がｂ⇒ａの様に変化する。この時、接点電流・電圧がアーク放電発生の最小放電電圧・最小放電電流を同時に満たしてしまうと、アーク放電が発生する。そこで、新提案では図２に示すアーク放電抑圧回路を提案した。通電接点と並列に過渡電流接点を設け、それに直列にコンデンサとダイオードを接続、コンデンサと並列に抵抗を接続する。そして、過渡電流接点を通電接点開離時に閉成、通電接点開離後に開離するように動作させる。通電接点を開離させると電流は過渡電流接点を流れてコンデンサを充電する。すると、通電接点の急激な電圧上昇が抑えられる。通電接点電流・電圧はｂ⇒ｃ⇒ａと変化し、アーク放電発生の最小放電電圧・最小放電電流を満たさずに開離することができる。ダイオードは、コンデンサに充電された電荷により逆方向電流が流れることを防止する。コンデンサに充電された電荷は過渡電流接点開離後に並列接続された抵抗によって放電される。
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１７２７３４号公報
【非特許文献１】国土交通省自動車交通局、“リコール・改善対策の届出  平成１４年度分”（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｍｌｉｔ．ｇｏ．ｊｐ／ｊｉｄｏｓｈａ／ｒｅｃａｌｌ／ｒｅｃａｌｌ０２／０５／ｒｅｃａｌｌ０５−２４１_．ｈｔｍｌ）
【非特許文献２】Ｒ．Ｈｏｌｍ、“Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｏｎｔａｃｔｓ  ：  Ｔｈｅｏｒｙ  ａｎｄ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ、４ｔｈ  ｅｄ．Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｌａ”、ｐｐ．２８３、１９６７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
大電流を扱う回転スイッチでもアーク放電が発生し、接点の信頼性や寿命を大きく損なう。例えば、十数Ａもの大電流を開閉するイグニッションスイッチでは、アーク放電の発生により電極部分が磨耗し、それによる導通不良が原因で最悪の場合エンジンが停止する恐れがあることがわかり、リコールにまで発展したこともある。アーク放電を抑圧することは重要な問題である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
図２のようなアーク放電抑圧回路を可動電極と固定電極を持つ回転スイッチに適用すると、図３のようになる。図３の回路において、通電接点と過渡電流接点が図４に示す電流波形のように時間差を持って開離すれば、アーク放電抑圧回路が実現できる。
図５にモデル図として示したように、固定電極（ａ）と、可動電極（ｂ）が対向した構造である。固定電極には、円弧状に分割された電源電極と負荷電極が配置されている。可動電極には、配置角度の異なる突起接点があり、回転運動により対向した固定電極の電源電極と選択される負荷電極を短絡するために、接触・閉成と開離を繰り返す。それぞれ図のように電極、接点が配置されている。可動電極を回転させると、固定電極と導通する。
図５（ａ）の斜線部分が電源電極、残りの２つが負荷電極で、ドット模様が通電電極、格子模様が過渡電流電極である。それぞれが電源接点、通電接点、過渡電流接点として、図３の回転スイッチ部分であることを表す太い破線囲みの下半分に対応する。図５（ｂ）の丸１、丸２、丸３は可動電極の突起状の接点を表している。３つある接点は、電源と接触する電源接点、通電電極と接触する通電接点、過渡電流電極と接触する過渡電流接点であり、太い破線囲みの上半分に対応する。可動電極を手動で回転させ、通電接点開離時のＶ−Ｉ波形を測定した。電極・接点材料は銅である。Ｒ．Ｈｏｌｍの導出値によると、銅のアーク放電の最小放電電圧Ｖｍｉｎは約１５Ｖ、最小放電電流Ｉｍｉｎは約０．５Ａである［非特許文献２］。図６は接点を回転させた時に接触する固定電極と可動電極を示した図である。今回放電抑圧の対象とする通電接点の開離は、［Ｃ］⇒［Ｂ］と左回転させた時に起こる。
【発明の効果】
【０００６】
発明の効果を以下（１）〜（２）にまとめる。
（１）過渡電流接点の適用により、回転スイッチでのアーク放電を抑圧できる。
（２）複数の接点の開離時アーク放電を１つのコンデンサで抑圧できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下に具体的な実施例を示す。
【実施例１】
【０００８】
実施例では自動車のエンジンを起動するイグニッションスイッチを選び、その一部を改造して回転スイッチとして使用した。図７にこの回転スイッチを往復回転運動させた時の電流波形を示す。アーク放電は図の丸の位置で発生する。接点２は接点１より遅く開離するので、接点１を通電接点、接点２を過渡電流接点として図３の回路モデルを適用し、図８のような回転スイッチでのアーク放電抑圧回路を作成した。実際の回路の様子を図９に示す。この回路で５０Ｖ／１０Ａ時のアーク放電抑圧実験を行った。回転スイッチの回転は手動で、突起接点の位置角の測定結果と図７の電流波形から求めた回転速度は、約１２０°／ｓｅｃである。
過渡電流接点をつけない場合は、通電接点開離時に図１０のようなアーク放電の発生を示すＶ−Ｉ波形が観測された。アーク放電を抑圧するための過渡電流接点回路のコンデンサの容量値Ｃは、２２０μＦ、１１０μＦ、４７μＦ、２２μＦ、１０μＦと変化させた。コンデンサ２２０μＦ、１１０μＦ、４７μＦ、２２μＦの過渡電流接点を接続した場合には、アーク放電が抑圧されることを確認した。図１１に容量値が２２０μＦの開離時Ｖ−Ｉ波形を示した。５０Ｖ／１０Ａという大容量の遮断にもかかわらず、アーク放電のない特性を示している。コンデンサ容量値が１０μＦの時はアーク放電が発生した（図１２）。
回路シミュレーションソフトＳＰＩＣＥにより、図１３の等価回路を用いて、接点開離時の電流・電圧変化のシミュレーションを行った。図１４に示す接点開離時の接触抵抗変化Ｒ（ｔ）を、開離時の接点電圧・電流の測定結果から算出し、その値を時間差を持たせて図１３の回路のＲ２とＲ３に与えることで、通電接点と過渡電流接点の開離を表した。Ｌ１は測定回路の浮遊インダクタンスである。
コンデンサの容量値を変化させ、実測と一致するかを確認した。過渡電流接点なしの場合はアーク放電条件を満たしており、アーク発生が予想できる。実測同様にコンデンサ容量を２２０μＦから２２μＦまで減らしても、通電接点開離時の接点電圧がアーク放電最小電圧のとき、接点電流がアーク放電最小電流値以下であり、アーク放電が発生する条件を満たさず開離する。図１５にコンデンサ値が２２μＦの場合の通電接点電流・電圧の解析結果を示した。一方、コンデンサ容量値が１０μＦの時は、浮遊インダクタンスの影響をうけ、放電条件を満たすようである。その結果を図１６に示した。いずれもシミュレーションと実測が一致しており、提案した技術の妥当性を確認した。
【実施例２】
【０００９】
請求項１より、回転スイッチにも過渡電流接点が適用でき、アーク放電が抑圧できる。しかし、回転スイッチは複数の回路の電流を切り替えるために複数の接点を持ち、それぞれの接点について１個ずつコンデンサを接続するとコストがかかり、回路も複雑になる。そこで、１つのコンデンサで複数の接点でのアーク放電抑圧が可能であるかを調べるため、複数接点を持つ等価回路での数値解析を行った。数値解析と実測との一致はすでに述べたとおりであるので、この解析により実際のデバイスで複数接点を開離した時の過渡電流接点の効果が予測できる。さらに、実際に設計する際に必要な各通電接点間の開離時間差、通電接点と過渡電流接点の開離時間差などもわかる。
実施例として使用したイグニッションスイッチは負荷接点が４つあり、１回の往復回転で図１７のように開閉する（回転速度約１２０°／ｓｅｃ）。接点１は２回開離動作をするので、接点１Ａ、接点１Ｂの２個の接点とみなす。アーク放電は図中の丸の位置で発生する。この５つの接点の開離時Ｖ−Ｉ波形をシミュレーションするために、ＳＰＩＣＥで図１８のような等価回路を作成した。各通電接点の開離時間差は図１７から求め、以前算出したＲ（ｔ）の値をその時間差にしたがって通電接点を表す抵抗に与える。過渡電流接点の開離は、各通電接点開離後４０ｍｓｅｃとした。この等価回路で５つの接点が１２０°／ｓｅｃで開離していく時のＶ−Ｉ波形をシミュレーションする。
その結果、接点３の放電抑圧には別のコンデンサ付の過渡電流接点回路が必要であることがわかった。その理由は、接点２と接点３の開離時間差が短すぎて、接点２開離時に充電されたコンデンサの電荷放電が間に合わないためである。図１９にコンデンサ放電抵抗が１ｋΩ時のコンデンサの放電特性を示す。過渡電流接点が開離してコンデンサの電荷放電が終わるまでに、アーク放電が抑圧できる最小のコンデンサ容量２２μＦでも１００ｍｓｅｃかかる。つまり、コンデンサ放電抵抗が１ｋΩ時は、接点２と接点３の開離時間差は最低１００ｍｓｅｃ必要ということである。通電接点と過渡電流接点の開離時間差を小さくすれば、コンデンサの電荷放電完了までの時間を短縮できる。また、コンデンサ放電抵抗（図１８中のＲ）の値を小さくすることでも短縮可能だが、小さくしすぎると過渡電流接点を流れる電流が大きくなり、過渡電流接点で放電してしまう。
今回の実施例に倣って、複数接点を持つ回転スイッチでも放電を抑圧するために最適な開離時間差、コンデンサ容量が検討できる。
【産業上の利用可能性】
【００１０】
構造・特性が従来のデバイスとほとんど同じであり、無放電化が容易に実現できるので、産業上の利用可能性は高いと思う。特に、自動車のイグニッションスイッチにおいては、アーク放電による電極面の磨耗で導通不良を起こし、リコールされた例もある。また、通電接点の開離時間差などの課題はあるが、コンデンサ１個で複数の接点開離時のアーク放電抑圧ができる事が示されたので、過渡電流接点を組み込んだ構造の省スペース化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】接点開離時の接点電流・電圧変化。
【図２】過渡電流接点をつけた放電抑圧回路。
【図３】回転スイッチで放電抑圧を実現するための過渡電流接点付回路モデル。
【図４】理想とする通電接点と過渡電流接点の開離時電流波形。
【図５】実験に使用した回転スイッチの構造図。
【図６】スイッチを回転させた時に接触する固定電極と可動電極の突起接点の図。
【図７】回転スイッチを往復回転させた時の電流波形。
【図８】５０Ｖ／１０Ａでの放電抑圧を確認するための実験回路図。
【図９】５０Ｖ／１０Ａでの放電抑圧を確認するための実験回路の写真。
【図１０】５０Ｖ／１０Ａで、過渡電流接点を付けなかった場合の開離時に見られた、アーク放電が発生のＶ−Ｉ波形。
【図１１】５０Ｖ／１０Ａで過渡電流接点と２２０μＦのコンデンサを付けた場合の開離時Ｖ−Ｉ波形。
【図１２】５０Ｖ／１０Ａで過渡電流接点と１０μＦのコンデンサを付けた場合の開離時Ｖ−Ｉ波形。
【図１３】５０Ｖ／１０Ａでの接点開離時Ｖ−Ｉ波形シミュレーションのための等価回路。
【図１４】接点開離時の接触抵抗変化Ｒ（ｔ）のグラフ。
【図１５】５０Ｖ／１０Ａで過渡電流接点と２２μＦのコンデンサを付けた場合のシミュレーションでの開離時Ｖ−Ｉ波形の数値解析結果。
【図１６】５０Ｖ／１０Ａで過渡電流接点と１０μＦのコンデンサを付けた場合のシミュレーションでの開離時Ｖ−Ｉ波形の数値解析結果。
【図１７】実験に使用したイグニッションスイッチを往復回転させた時の各接点の電流波形。
【図１８】コンデンサ１個で複数接点でのアーク放電抑圧をシミュレーションするための等価回路。
【図１９】コンデンサ放電抵抗１ｋΩ時のシミュレーションで使用したコンデンサの放電特性。
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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