(57)【要約】      （修正有）【課題】アーク抑制回路のためのコンタクト保護回路を備えるスイッチ装置を提供する。【解決手段】スイッチ装置１であって、負荷経路１００を流れる電流の流れを電気的に遮断するための主スイッチ１１０を含む主スイッチ機構１２０と、補助スイッチ１４０を含む補助スイッチ機構１５０と、前記補助スイッチ１４０と直列配置で接続されたＰＴＣデバイス１８０と、前記直列配置が前記主スイッチ１１０と並列接続され、前記補助スイッチ機構１５０は、前記主スイッチ１１０が開位置となるように作動した後、所定の時間間隔の間に前記補助スイッチ１４０を閉位置に維持するように構成され、前記所定の時間間隔は、前記ＰＴＣデバイス１８０が低抵抗状態から高抵抗状態までの移行に依存するスイッチ装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチ装置であって、
負荷経路（１００）を流れる電流の流れを電気的に遮断するための主スイッチ（１１０）を含む主スイッチ機構（１２０）と、
補助スイッチ（１４０，４００）を含む補助スイッチ機構（１５０，４１０，４４０）と、
前記補助スイッチと直列配置で接続されたＰＴＣデバイス（１８０）と、前記直列配置が前記主スイッチと並列接続され、
前記補助スイッチ機構は、前記主スイッチが開位置となるように作動した後、所定の時間間隔の間に前記補助スイッチを閉位置に維持するように構成され、
前記所定の時間間隔は、前記ＰＴＣデバイスが低抵抗状態から高抵抗状態までの移行に依存するスイッチ装置。
【請求項２】
前記補助スイッチ機構（１５０，４１０，４４０）は、前記ＰＴＣデバイスが高抵抗状態へトリップする際に、前記補助スイッチが開位置となるように構成される請求項１記載のスイッチ装置。
【請求項３】
前記ＰＴＣデバイスは、最大の高抵抗トリップ電流を有し、前記最大の高抵抗トリップ電流よりも低い電流の強さで前記補助スイッチのアークが抑制される請求項１または２記載のスイッチ装置。
【請求項４】
前記主スイッチ機構および前記主スイッチが主リレーとして与えられる請求項１から３のいずれか１項記載のスイッチ装置。
【請求項５】
コイルに電圧を印加することによって主スイッチを作動するための主コイル（１３０，３３０）と、
前記主コイルの端子に接続された主コイル保護部品（１３５）と、を含み、
前記コイルに印加された電圧が消滅した際に、前記主コイルに蓄積した磁束の減衰を制御するように構成される請求項４記載のスイッチ装置。
【請求項６】
前記補助スイッチ機構は、
コイルに印加された電圧によって前記補助スイッチを作動するための第一コイル（１６０，３６０，４２０）と、
前記第一コイルの端子に接続され、前記コイルに印加された電圧が０Ｖに設定される際に、前記第一コイルに蓄積した磁気インダクタンスの減衰を制御するように構成された第一コイル保護部品（１６５）を含む請求項１から５のいずれか１項記載のスイッチ装置。
【請求項７】
前記補助スイッチ機構は、前記補助スイッチおよび前記ＰＴＣデバイスと直列接続される第二コイル（１７０，４５０）を含み、
前記第二コイルは、前記主スイッチが開位置となった後に、前記所定の時間間隔の間、前記補助スイッチを閉位置に維持するように構成されている請求項１から６のいずれか１項記載のスイッチ装置。
【請求項８】
前記補助スイッチ機構は、前記補助スイッチ、前記第一コイルおよび第二コイルを含む二重コイルリレーとして与えられる請求項７記載のスイッチ装置。
【請求項９】
前記補助スイッチ機構は、第一補助リレー（４１０）および第二補助リレー（４４０）として与えられ、
前記第一補助リレーは、前記第一コイルおよび前記第一コイルによって作動する第一補助コンタクト（４３０）を含み、
前記第二補助リレーは、前記第二コイルおよび前記第二コイルによって作動する第二補助コンタクト（４６０）を含み、
前記第一補助コンタクトおよび前記第二補助コンタクトは、前記補助スイッチを形成するように並列接続される請求項７記載のスイッチ装置。
【請求項１０】
前記第二コイルは、電流感応コイルである請求項７から９のいずれか１項記載のスイッチ装置。
【請求項１１】
前記主コイルおよび前記第一コイルは、電圧感応コイルである請求項６から１０のいずれか１項記載のスイッチ装置。
【請求項１２】
前記主コイルおよび前記第一コイルは直列接続され、単一の電圧印加回路によって電圧印加される請求項１１記載のスイッチ装置。
【請求項１３】
前記主コイルおよび前記第一コイルは並列接続され、両コイルに同じ印加電圧が印加され、
前記スイッチ装置は、
前記第一コイルと直列接続された減結合部品（３５０）を含み、
前記印加された電圧が消滅した際に、前記主コイルおよび前記第一コイルは電気的に減結合するように構成される請求項１１記載のスイッチ装置。
【請求項１４】
アーク抑制のためのコンタクト保護回路であって、
負荷経路（１００）を流れる電流の流れを電気的に遮断するための主スイッチ（１１０）と、
補助スイッチ（１４０，４００）と、
ＰＴＣデバイス（１８０）と、
前記補助スイッチを作動するように構成された電流感応コイル（１７０，４５０）と、
前記補助スイッチ、前記ＰＴＣデバイスおよび前記電流感応コイルが直列配置で接続され、前記直列配置が前記主スイッチと並列接続され、
前記補助スイッチが閉位置である間に、前記主スイッチが前記負荷経路を流れる電流の流れを遮断するように作動すると、
前記補助スイッチは、前記電流感応コイルによって、前記主スイッチが開位置となった後、所定の時間間隔の間に前記補助スイッチを閉位置にされ、
前記所定の時間間隔は、前記ＰＴＣデバイスが低抵抗状態から高抵抗状態までの移行に依存するコンタクト保護回路。
【請求項１５】
主スイッチと並列接続されたスイッチ装置における、電流感応コイル（１７０，４５０）、補助スイッチ（１４０，４００）およびＰＴＣデバイス（１８０）の直列の組み合わせを用いてのアーク抑制方法であって、
前記直列の組み合わせを流れる電流の流れをそらすために前記補助スイッチが閉位置に維持される一方で、負荷経路（１００）を流れる電流の流れを遮断するように前記主スイッチを作動する段階と、
前記補助スイッチを閉位置に維持するために前記電流感応コイルを流れる電流によって生じる電磁気力を用いて、前記直列配置を流れる電流の流れが前記補助スイッチの定格電流よりも小さくなるのに必要となる所定時間後に、前記ＰＴＣデバイスを低抵抗状態から高抵抗状態まで移行させる段階と、を含むアーク抑制方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気スイッチに関し、より具体的には、アークを抑制するためのコンタクト保護回路およびこれを含む高電圧リレーのようなスイッチ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気スイッチは、電気回路における電流の流れを制御するために一般的に用いられる。電気スイッチの一般的な態様は、手動操作または電気動作、磁気誘導、熱活性化などの作動機構に応答して開または閉とすることが可能な機械的コンタクトを含むものである。これら電気スイッチとしての態様は、機械的スイッチとも呼ばれるが、リレーや回路遮断器、漏電遮断器のような様々なスイッチ装置において見ることができる。
【０００３】
さらなる手段なしであっても、標準的スイッチは１２Ｖから２０Ｖの直流電流のみに切り替えることが可能である場合がある。しかしながら、外部磁石のアプリケーションによってこの制限を高電圧へ移行すると、スイッチコンタクトが分離される際の不可避なアークで消費される電力によって、コンタクト材料が腐食し、それゆえにスイッチ装置の寿命が短くなってしまう。
【０００４】
アークの際に到達する高温も、コンタクト部の溶融やコンタクト摩耗となるコンタクト間の材料移動を引き起こす場合がある。このようなコンタクトは、スイッチが開位置となる際に、機械的にコンタクト間を固定してしまう不均一な表面を生じさせてしまう場合がある。
【０００５】
アークが生じることでの他の懸念材料は、コンタクト材料の蒸着およびスパッタリングのために、スイッチ領域の周りが汚染された領域となることである。
【０００６】
アークに関連した過熱によって、周りの領域も損傷し、装置の破壊へとつながる場合がある。
【０００７】
欠陥のある状況から電気回路を保護するため、および／または、高電圧電源から電気回路を接続解除するために用いられる高電圧リレーのようなスイッチ装置において特にアークが重要となる。
【０００８】
スイッチコンタクトが電気負荷への高電力の供給を遮断するために分離される際に、保護される回路だけでなくスイッチを破壊する場合のある分離コンタクト間の高密度アーク電流が、スイッチコンタクト間の空気間隙に亘って形成された高圧電界によって生じる。
【０００９】
それゆえ、破壊および／または装置汚染を避けるだけではなく、機械的スイッチの信頼性及び寿命を改善するように最大限アーク効果を制限することが望ましい。
【００１０】
リレーコンタクトを保護するため、リレーコンタクトに直列または並列に接続された、抵抗、ダイオード、キャパシタなどの電気部品の配置により開位置のリレーに生じた高エネルギーの消滅に依存するいくつかの手段が提案された。適切な配置は、リレーの態様と具体的なアプリケーションに依存する。
【００１１】
正温度係数の抵抗デバイス（正温度係数のサーミスタまたは単にＰＴＣデバイスとも呼ばれ、例えば、商標”ポリスイッチ（Poly Switch）”でタイコエレクトロニクスコーポレーションによって販売されたデバイスなど）は、コンタクトをアークから保護するために提供された受動部品の別の例である。
【００１２】
ＰＴＣデバイスは、一般的には、ＰＴＣデバイスを流れる過大電流または周辺の過剰な温度など、欠陥のある状況に対しての電気回路保護を与えるために用いられる。通常用いられるＰＴＣデバイスは、導電ポリマー組成物を基本組成とする。
【００１３】
これら装置の興味深い特性は、非線形抵抗傾向にあることである。ＰＴＣデバイスは、ＰＴＣデバイスを流れる電流を大きく減少させるように、低温、低抵抗状態（オン状態またはアントリップ状態（un-tripped state)とも呼ばれる）から高温、高抵抗状態まで変化する定格電流を有する。その後、ＰＴＣデバイスは、トリップ状態（tripped state)または単に”トリップ（tripped)”にあると言われる。
【００１４】
定格トリップ電流は、ＰＴＣデバイスのタイプに依存して、２０ｍＡから１００Ａまで変化してもよい。トリップ電流よりも大きな電流が一定時間以上ＰＴＣデバイスでも維持されると、トリップ状態までの移行が生じる場合がある。
【００１５】
ＰＴＣデバイスが低抵抗状態へと戻るためには、たとえ、電流および／または温度が標準レベルまで戻ったとしても、ＰＴＣデバイスが電源から接続解除され、冷却される必要がある。
【００１６】
米国特許第５，８６４，４５８号明細書には、機械的スイッチおよびＰＴＣデバイスの電圧定格および／または電流定格を、標準的な回路の作動電圧および作動電流よりもずっと小さくしながら、電圧および電流を正常な回路作動に切り替えるために、機械的スイッチおよびＰＴＣデバイスの使用を可能にする過電流保護システムの一例が示されている。
【００１７】
過電流保護回路は、いずれも熱的に連結され、負荷に直列して接続されたＰＴＣデバイスと、ＰＴＣデバイスと並列に連結されたバイメタルスイッチとを含む。
【００１８】
ＰＴＣデバイスおよびバイメタルスイッチにより、回路に流れた誤電流を制限することができる。過電流の場合、バイメタルスイッチは熱せられ、開かれ、電流がＰＴＣデバイスへと短絡する。ＰＴＣデバイスにおける過電流は、ＰＴＣデバイスを素早くトリップさせ、高抵抗状態へと移行させ、電流を非常に小さいレベルまで減少させる。ＰＴＣデバイスにおける低電流は、ＰＴＣデバイスを熱した状態とし、高抵抗状態に維持する。ＰＴＣデバイスからの熱によって、バイメタルスイッチは開位置に固定され、バイメタルスイッチのコンタクトの振動が防がれる。
【００１９】
ＰＴＣデバイスへの電流の短絡によって、バイメタルスイッチのコンタクトは、作動電圧で電流を切り替える必要がないので、アークは生じない。
【００２０】
米国特許第５，７３７，１６０号明細書には、スイッチおよびＰＴＣデバイスの各々の定格電流および定格電圧より高い電流および電圧を遮断するための電気スイッチの配置が開示されている。
【００２１】
電気スイッチの配置は、直列または並列した２つの機械的スイッチと、スイッチの一方（”並列スイッチ”とする）と並列に接続され、もう一方のスイッチ（”直列スイッチ”とする）と直列に接続されたＰＴＣデバイスとを含む。
【００２２】
設計配置は、ＰＴＣデバイスの抵抗の増加速度に依存する。両方のスイッチが同期して作動する場合は、ＰＴＣデバイスの抵抗増加によってアークが続かないレベルに至るまで、コンタクト間のアークの形態で電流は直列スイッチを流れ続ける。
そのレベルに素早く至るＰＴＣデバイスの使用は、直列スイッチの要求される定格を低くしてしまう。
【００２３】
直列スイッチが並列スイッチ後に作動する場合、直列スイッチのアークの接続時間は、短くなる、および／または、完全に零になる。それゆえに、直列スイッチが開く前にＰＴＣデバイスの抵抗が要求されるレベルに至るならば、直列スイッチにアークが生じることはない。
【００２４】
【特許文献１】米国特許第５，８６４，４５８号明細書
【特許文献２】米国特許第５，７３７，１６０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２５】
しかしながら、２つのスイッチ間の作動遅延が十分であるが、アークを抑制するために要求される作動遅延よりも長くないことを確実にする方法の問題が残されている。
【００２６】
例えば、ＰＴＣデバイスの抵抗が要求されたレベルまで至るとすぐに、直列スイッチが作動しない（すなわち開位置）場合、直列スイッチが作動するまで、ＰＴＣデバイスまたは他の部品を損傷させることなく、ＰＴＣデバイスは、十分な電圧を高温状態で維持されなければならない。さもなければ、ＰＴＣデバイスが損傷するか、別の部品を損傷させる場合がある。
【００２７】
並列スイッチが作動した後、回路がかなりの時間において導通しないことを確実にするため、直列スイッチは、並列スイッチを開位置および／または短い時間作動させる。
【００２８】
この問題を避けるために、ＰＴＣデバイスの特性およびスイッチの定格電圧は、ＰＴＣデバイスが要求されたレベルに到達する速度を制御するように選択される。しかしながら、このことは、電気スイッチの配置を各具体的なアプリケーションにカスタマイズしなければならないという不利な点がある。
【００２９】
特に、ＰＴＣデバイスの特性は、同じタイプの装置間でかなり変化してもよい。それゆえに、ＰＴＣデバイス間の特性変化の補償を可能にするスイッチ機構であることも望ましい。
【００３０】
最終的に、上記提案された手段は、アークを避けるために効率的にスイッチが開位置とされる電流または電圧を減少させるが、現時点では、スイッチ作動間の時間遅延を制御する方法およびＰＴＣデバイスと電気絶縁シーケンス（galvanic isolation sequence）のトリッピング（tripping）を同調させる方法に関して解決方法がない。
【００３１】
本発明は、先行技術の不利点と短所を克服し、機械的スイッチにおけるアークを抑制するためのコンタクト保護回路およびリレーコンタクトを長寿命化した高電圧リレーを提供することをその目的とする。
【００３２】
本目的は、独立項に記載される発明によって解決される。本発明の有利な実施形態は、従属項によって規定される。
【課題を解決するための手段】
【００３３】
本発明は、負荷経路を通る電流の流れを電気的に遮断するための主スイッチを含む主スイッチ機構と、補助スイッチを含む補助スイッチ機構と、前記補助スイッチに直列配置で接続されたＰＴＣデバイスと、を含み、前記直列配置は、前記主スイッチと並列接続され、前記補助スイッチ機構は、前記主スイッチが開位置となるように作動した後、一定時間間隔の間、前記補助スイッチを閉位置に維持するように構成され、前記一定時間間隔は、低抵抗状態から高抵抗状態までの前記ＰＴＣデバイスの移行に依存するスイッチ装置を提供する。
【００３４】
それゆえに、前記補助スイッチを閉位置に維持する時間を制御する補助スイッチ機構を用いることによって、前記主スイッチおよび前記補助スイッチの開位置は、自動的に調整可能である。さらに、本発明は、トリップ電流やトリップ状態まで変化するまでの速度などの前記ＰＴＣデバイスの特性に基づいて前記補助スイッチが開位置となることに間に合うように遅延させることによって、前記補助スイッチを閉位置のまま維持する時間を制限し、かつ、前記補助スイッチが開位置となる前に、補助スイッチを流れる電流がアークを無視または抑制のための安全値より十分に小さくなることを依然として確実にする。
【００３５】
更なる展開として、補助スイッチ機構は、ＰＴＣデバイスが高抵抗状態へトリップする際に、前記補助スイッチを開位置とするよう構成される。
【００３６】
本発明の更なる展開として、ＰＴＣデバイスは、前記最大の高抵抗トリップ電流より小さい電流の強さにおいて、前記補助スイッチで、アークが抑制されるように、最大の高抵抗トリップ電流を有する。
【００３７】
ＰＴＣデバイスが前記高抵抗状態へトリップする際に、ＰＴＣデバイスを流れる電流が大きく減少するので、その後、前記補助スイッチは、十分に減少したアーク電流レベルで安全に開位置とすることができる。
【００３８】
更なる実施形態によれば、主スイッチ機構および主スイッチは、主リレーとして提供される。
【００３９】
このことによって、遮断される高電圧回路から電気的に絶縁された低電圧回路を用いて主スイッチを作動させることが可能となる。
【００４０】
さらなる展開によれば、主リレーは、コイル印加電圧により主スイッチを作動させるための主コイル、主コイルの端子に接続された主コイル保護部品とを含み、コイルに印加される電圧がゼロとされる際に、主コイル内に蓄積した磁気インダクタンスの減衰を制御するように構成される。
【００４１】
主コイル保護部品は、主コイル内の残存電流を素早く消滅させるための高抵抗の抵抗であってもよい。それゆえに、主スイッチのコンタクトは、素早く開く。
【００４２】
さらなる展開によれば、補助スイッチ機構は、コイル印加電圧により、補助スイッチを作動させるための第一コイルと、前記第一コイルの端子に接続され、コイルに印加される電圧がゼロとされる際に前記第一コイル内に蓄積した磁気インダクタンスの減衰を制御するように構成される第一コイル保護部品とを含む。
【００４３】
その後、前記補助スイッチは、前記主スイッチより前に開位置とならないことを確実にされる。
【００４４】
さらなる展開によれば、補助スイッチ機構は、前記補助スイッチおよび前記ＰＴＣデバイスと直列接続される第二コイルを含み、前記第二コイルは、前記主スイッチが開位置となった後、前記一定の時間間隔の間、前記補助スイッチを閉位置に維持するように構成される。
【００４５】
このことは、直列配置の電流がアークを生じるまで十分に強いと、補助スイッチが自動的に閉位置に維持され、電流が安全な値より下に落ちると、自動的に開位置となるという利点がある。
【００４６】
さらに展開すれば、前記補助スイッチ機構は、前記補助スイッチ、前記第一コイルおよび前記第二コイルを含む２つのコイルリレー（dual coil relay）として備えられる。
【００４７】
別に展開すれば、前記補助スイッチ機構は、第一補助リレーおよび第二補助リレーとして備えられ、前記第一補助リレーは、前記第一コイルおよび第一補助コンタクトを含み、前記第二補助リレーは、前記第二コイルおよび第二補助コンタクトを含み、前記第一補助コンタクトおよび前記第二補助コンタクトは、前記補助スイッチを形成するために並列に接続される。
【００４８】
前記第一コイルおよび前記第二コイルの機能を分けられたリレーによって与えることで、もはや２つのコイル間を誘電体絶縁する必要性がない。
【００４９】
さらなる発明の展開において、前記第二コイルは、電流感応コイルである。
【００５０】
さらなる発明の展開において、前記主コイルおよび前記第一コイルは、電圧感応コイルである。
【００５１】
一実施形態によれば、前記主コイルおよび前記第一コイルは、単一電圧印加回路によって電圧印加されるように直列して接続される。
【００５２】
他の実施形態において、前記主コイルおよび前記第一コイルは、各コイルに同じ電圧が印加されるように並列して接続され、前記装置は、前記第一コイルと直列接続した減結合部品（decoupling element）をさらに含み、前記電圧の印加がなされない際に、前記主コイルと前記第一コイルとを電気的に減結合するように構成される。
【００５３】
このことは、同じ電圧回路が前記主コイルおよび前記第一コイルの両方に電圧を印加するために用いることができるという利点がある。それゆえに、前記スイッチ装置の作動は、簡素化される。さらに、２つのコイルの作動は、同期することとなる。
【００５４】
本発明は、電気回路の負荷経路を通じて電流の流れを遮断するための主スイッチと、補助スイッチと、ＰＴＣデバイスと、前記補助スイッチを作動させるように構成された電流感応コイルとを含む、アークを抑制するためのコンタクト保護回路も提供する。
【００５５】
前記補助スイッチ、前記ＰＴＣデバイスおよび前記電流感応コイルは、直列配置で接続され、前記直列配置が前記主スイッチに並列で接続される。加えて、前記主スイッチが、前記補助スイッチが閉位置である際に、負荷経路を流れる電流を遮断するために作動する場合、前記主スイッチが開位置となった後、一定の時間間隔の間、前記電流感応コイルによって、前記補助スイッチが閉位置に維持される。
【００５６】
前記一定時間間隔は、低抵抗状態から高抵抗状態までの前記ＰＴＣデバイスの移行に依存している。
【００５７】
本発明は、電流感応コイル、補助スイッチ、主スイッチに並列接続されたＰＴＣデバイスの直列的組み合わせを用いて、スイッチ装置内のアーク抑制のための方法、すなわち、前記直列的組み合わせを流れる電流の流れをそらすために、前記補助スイッチを閉位置に維持し、負荷経路を流れる電流を遮断するための主スイッチを作動させる段階と、前記補助スイッチを閉位置に維持するための前記電流感応コイルを流れる電流によって生じる電磁気力を用いて、前記補助スイッチの定格電流より小さく、直列配置を流れる電流のために所定の時間の後に、前記ＰＴＣデバイス内で低抵抗状態から高抵抗状態まで移行させる段階を含む方法も提供する。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】図１は、本発明の例示的な実施形態におけるアーク抑制回路を備えるスイッチ装置である。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明の例示的な実施形態における異なった作動状態におけるアーク抑制回路の説明図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、本発明の例示的な実施形態における異なった作動状態におけるアーク抑制回路の説明図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、本発明の例示的な実施形態における異なった作動状態におけるアーク抑制回路の説明図である。
【図３】図３は、本発明の第二の例示的な実施形態におけるスイッチ装置の説明図である。
【図４】図４は、本発明の第三の例示的な実施形態におけるスイッチ装置の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００５９】
添付の本図面は、本発明の原理を説明する目的のための明細書の一部を形成し、組み込まれる。図面は、図示されたもののみに本発明を限定するものとして解釈されてはならず、いかに本発明が製造され、使用されるのかについて例示的に図示されたものである。
【００６０】
さらなる特徴と利点が、添付の本図面に図示された発明についての以下のさらに具体的な記載から明らかにされる。
【００６１】
本発明の効果的な実施形態は、以下添付の図面を参照してさらに詳述される。
【００６２】
図１には、本発明の例示的な実施形態におけるアーク抑制回路を備えるスイッチ装置１が示される。
【００６３】
スイッチ装置１は、電源と、負荷経路１００を流れる電流の流れを制御するための電気負荷（図示しない）との間に直列接続されている。
【００６４】
スイッチ装置１は、負荷経路１００を流れる電流の流れを電気的に遮断するための主スイッチ１１０、および前記主スイッチを作動させるための主スイッチ機構を備える。
【００６５】
例示された実施形態において、主スイッチ機構は、主スイッチ１１０と共に主リレー１２０を形成する。主スイッチ１１０（以下主コンタクト１１０と称される）は、可動コンタクト部材１１５および固定コンタクト部材１１８とを備える機械的スイッチである。しかしながら、同じ目的のための他のコンタクトを組み合わせて用いてもよい。
【００６６】
電気的に負荷経路１００を閉じるために可動コンタクト部材１１５の先端が固定コンタクト１１８に接触する閉位置（主リレーが閉位置となる）と、電気的に負荷経路１００を遮断する空隙によって可動コンタクト部材１１５が固定コンタクト１１８と分離される開位置（主リレーが開位置となる）と、の間を移動するために、可動コンタクト部材１１５は、主リレー１２０によって直接的に作動される。
【００６７】
主リレー１２０は、主コイル１３０の巻回での電流の流れによって、この部材に生じた電磁効果によって、主コンタクト１１０の可動コンタクト部材１１５を直接的に作動する電磁コイル（以下単に主コイル１３０と称する）を備える。
【００６８】
その後、主コンタクト１１０は、コイル電圧印加回路（coil energizing circuit:図示しない)、好適には低電圧回路によって作動され、コイル電圧印加回路は、スイッチ装置１が接続される電源および電気負荷回路から電気的に絶縁されている。コイルへの電圧印加が主コイル端子に適用されると、主コイルの巻回部に流れる電流は、主コンタクト１１０を閉位置にする、および／または、閉位置のまま維持するための十分な電磁気力を生じさせる。その後、コイル電圧がなくなると（すなわち、０Ｖになると）、誘起磁気力が消滅する。その結果、主コンタクト１１０が開位置となる。
【００６９】
主コンタクト１１０が、負荷経路１００における高電圧によって生じた電流の流れを遮断するために開位置となるように作動すると、開位置のコンタクト間の電圧降下は、増加し始め、アークを生じさせる場合がある。主コンタクト１１０の分離されたコンタクトのアーク電流の形成を避けるために、スイッチ装置１は、アーク抑制回路２を備える。
【００７０】
アーク抑制回路２は、主コンタクト１１０および主コンタクト１１０に並列接続されたバイパス回路１２５を含む。バイパス回路１２５は、補助スイッチ１４０と直列接続されたＰＴＣデバイス１８０を含む。主スイッチ１１０が開く際に、補助スイッチ１４０は、好適には閉位置とされる。
【００７１】
それゆえに、主スイッチ１１０は、十分な電流で負荷経路１００を遮断する機構である一方、補助スイッチ１４０は、主コンタクト１１０にかかる電圧が減少すると、バイパス１２５を流れる電流の流れが以下詳述されるように大きく減少する際に、後段の段階で開位置となるように作動する。それゆえに、アーク保護回路２に、主スイッチ１１０および補助スイッチ１４０が作動する電圧よりも大幅に低い定格電圧であることを特徴とする主スイッチ１１０および補助スイッチ１４０を用いることが可能となる。
【００７２】
主コンタクト１１０と同様に、補助スイッチ１４０は、固定コンタクト部材１４８に可動コンタクト部材４５の先端を固定コンタクト部材１４８に接触させるため、または、固定コンタクト部材１４８から離れさせ、補助コンタクト１４０を閉位置または開位置にそれぞれするために直接作動可能な固定コンタクト部材１４８および可動コンタクト部材１４５を備える機械的スイッチであると好適である。
【００７３】
ＰＴＣデバイス１８０は、低抵抗状態から高抵抗状態まで抵抗の状態を変えることによって、補助スイッチ１４０が開位置とされる前に、主コンタクト１１０に蓄積された力を消滅させ、バイパス１２５中の電流の流れを安全値まで低減させることが可能である。高抵抗状態への移行は、バイパス１２５を流れる電流の流れが低いレベルの電流に到達する際に起こる。
【００７４】
補助スイッチ１４０が安全に開位置とされ、高電圧回路が非接続となる時間を調整するために、スイッチ装置１は、補助スイッチ１４０を作動させるための補助スイッチ機構を含む。
【００７５】
補助スイッチ機構は、好適には、電流がバイパス回路１２５を通じて流れ始め、主コンタクト１１０におけるアーク電流の形成を回避するように、主コンタクト１１０が開位置とされる際に、補助スイッチ１４０を閉位置に維持し、または、開位置とされる前に素早く閉位置とすることが可能である。
【００７６】
本発明の実施形態において、補助スイッチ１４０および補助スイッチ機構は、補助リレー１５０として備えられる。
【００７７】
補助リレー１５０は、補助スイッチ１４０（補助コンタクトと以下称される）および好適には、電圧を感応する（電圧感応性）高抵抗コイルである第一コイル１６０および好適には、電流を感応する（電流感応性）低抵抗コイルである第二コイル１７０という２つの電磁コイルを含む二重コイルリレー系である。
【００７８】
二重コイルリレー系は、主リレー１２０の異なる作動状態における補助コンタクト１４０を作動させるための二重の作動機構を備える。
【００７９】
補助リレー１５０の第一コイル１６０は、主リレー１２０が閉位置となる際に、補助コンタクト１４０を閉位置とする、および／または、閉位置に維持するための主作動機構を備える。第二コイル１７０は、主リレー１２０が開位置となった後の所定時間の間、補助コンタクト１４０を閉位置に維持する。
【００８０】
主コイル１３０の作動と同様に、コイルに印加された電圧が第一コイル１６０の端子に印加される際に、第一コイル１６０の巻回による電流の流れによって生じた電磁気力により、補助コンタクト１４０が閉位置とされ、および／または、閉位置に維持される。
【００８１】
この電磁気力は、第一コイル１６０のコイルに印加される電圧がなくなり、すなわち、０Ｖに設定されると、消滅する。この場合、第二コイル１７０は、後述されるように所定の条件下で、補助コンタクト１４０を閉位置に維持するための付加電磁気力を与える。
【００８２】
主リレー１２０の開閉を、補助リレー１５０の開閉とより好適に調整するために、主コイル１３０および補助リレー１５０の第一コイル１６０は、同じ電圧印加回路に電気的に接続される。
【００８３】
本実施形態において、主コイル１３０および第一コイル１６０は、直列配置で接続される。この直列コイル配置のプラス（＋）端子およびマイナス（−）端子によって、コイルに電圧を印加するための外部電圧回路（図示しない）に接続可能となる。その後、２つのコイルが同じ電圧回路によって電圧が印加されると、それぞれ主コンタクト１１０および補助コンタクト１４０を閉位置とするために、主コイル１３０および第一コイル１６０の作動が単一制御回路を用いてほぼ同期するようになされる。
【００８４】
電磁コイルに蓄積された磁気誘導が、コイルに印加された電圧が消滅した後、すぐには減衰しないので、コイルに印加された電圧が０Ｖに設定された瞬間と作動するリレーコンタクトが効果的に開く際の瞬間との間に時間遅延（non-zero time delay)がある。
【００８５】
この時間遅延を制御するために、主コイル１３０は、主コイル１３０に依然として流れる電流を素早く減衰させるために高抵抗性抵抗１３５と接続されてもよい。結果として、主コンタクト１１０は、素早く開く。
【００８６】
高抵抗性抵抗１３５は、スイッチを切った瞬間における、制御回路の部品を損傷する可能性がある高電圧ピークの出現を防止するので、それゆえに、コイル保護部品として機能する。
【００８７】
しかしながら、他の電気部品が、印加された電圧が消滅した後の同じ保護目的のため、および／または、コイルによって生じた電磁気力の減衰速度を制御するために用いられてもよい。
【００８８】
図１に示されるように、高抵抗性抵抗１３５が主コイル１３０の端子に並列接続される。
【００８９】
補助リレー１５０の第一コイル１６０は、コイルに印加された電圧が消滅する際に、第一コイル１６０に残存する電流の減衰速度を制御するために、第一コイル保護部品１６５にも接続され、好適には第一コイル１６０の端子に並列接続される。
【００９０】
加えて、補助リレー１５０の第一コイル１６０は、主リレー１２０と同じ外部電圧回路によって電圧が印加されるが、第一コイル１６０の残存電流の流れの減衰速度を、主コイル１３０の減衰速度よりも遅くするような第一コイル保護部品１６５を選択することによって、主コンタクト１１０の開位置に間に合うように補助コンタクト１４０を開位置とすることが遅延させられてもよい。
【００９１】
例示的な実施形態において、補助リレー１５０の高抵抗コイル１６０は、第一コイル保護部品として機能するダイオード１６５と接続／挟持される。高抵抗コイル１６０の残存電流およびこの残存電流によって生じる電磁気力は、主コイル１３０における減衰速度よりも遅い。
【００９２】
それゆえに、スイッチ装置１が高電圧回路に接続され、主リレー１２０が負荷経路１００を流れる残存電流を遮断するために開位置となると、補助コンタクト１４０は、主コンタクト１１０より前に開位置とならないことが確実化される。
【００９３】
図１に図示されるように、印加される電圧が主コイル１３０および第一コイル１６０によって構成された直列配置に印加される際に、ダイオード１６５を流れる電流の経路が阻止されるように、ダイオード１６５は、第一コイル１６０の端子と並列接続される。
【００９４】
加えて、印加された電圧が直列のコイル配置に印加される際に、第一コイル１６０および主コイル１３０を主として流れる電流を印加するように、主コイル保護部品１３５の抵抗を選択してもよい。
【００９５】
図２Ａ、２Ｂ、２Ｃを参照して説明されるように、補助リレー１５０の第二コイル１７０は、主リレー１２０が開位置となる際に、所定時間量の間、補助コンタクト１４０を閉位置とする、および／または、閉位置に維持させるための主作動機構を与える。この遅延は、ＰＴＣデバイス１８０の特性に依存する。
【００９６】
図１に示されるように、補助リレー１５０の第二コイル１７０は、補助コンタクト１４０およびＰＴＣデバイス１８０と直列接続され、バイパス１２５を流れる電流を使用可能、すなわち、補助コンタクト１４０を作動させる電磁気力を生じさせるように、補助コンタクト１４０に対して配置される。
【００９７】
第一コイル１６０によって生じた電磁気力が既に消滅した後、バイパス１２５を流れる電流の流れが、補助コンタクト１４０がアーク無しまたは小さくなったアークで開位置とできる安全値に至るまで、第二コイル１７０は、補助コンタクト１４０を閉位置に維持させる付加電磁気力を生じるように選択される。
【００９８】
図２Ａ、２Ｂ、２Ｃは、本発明の一例示的実施形態における異なる作動状況でのアーク抑制回路２の説明図である。
【００９９】
上述したように、補助コンタクト１４０、低抵抗コイル１７０およびＰＴＣデバイス１８０は、直列接続される。この直列配置は、補助コンタクト１４０が閉位置とされ、主リレー１２０が開位置とされる際に、開位置の主コンタクト１１０で生じた高電界エネルギーがこの直列配置まで伝送可能なように主コンタクト１１０に並列接続される。
【０１００】
図２Ａには、主コンタクト１１０と補助コンタクト１４０の両方が閉位置である初期構成が示されている。
【０１０１】
この初期構成において、ＰＴＣデバイス１８０は、低抵抗状態である。ゆえに、低抵抗コイル１７０およびＰＴＣデバイス１８０の、主コンタクト１１０上の負荷経路１００に流れる電流への影響は無視できる。負荷電流Ｉｍａｉｎは、主として主コンタクト１１０を流れ、直列配置の電流Ｉｓｅｒｉａｌは、無視できる。
【０１０２】
ここで図２Ｂを参照すると、補助コンタクト１４０は閉位置に維持されている一方で、主コンタクト１１０が開位置へと作動される際に、主コンタクト１１０のコンタクト電圧降下が増加するために、ＰＴＣデバイス１８０、補助コンタクト１４０および低抵抗コイル１７０によって形成された直列配置を電流が流れ始める。この場合、主コンタクト１１０を流れる電流Ｉｍａｉｎは、ほぼ０Ａであり、アークを生じることがない。
【０１０３】
初期状態において、ＰＴＣデバイス１８０が低抵抗状態であるので、補助コンタクト１４０内の低抵抗コイル１７０によって誘導された磁束により、ＰＣＴデバイス１８０をアントリップした（un-tripped）電流Ｉｓｅｒｉａｌは、補助コンタクト１４０を閉位置に維持するのに十分に高い強さである。
【０１０４】
デバイスが時間間隔に依存した後で、ＰＴＣデバイス１８０は、オン状態（on-state）から高抵抗状態まで移行する。
【０１０５】
この状況は、図２Ｃに示されている。ＰＴＣデバイス１８０が、高抵抗状態である際に、低抵抗コイル１７０を流れる電流Ｉｓｅｒｉａｌの強さが大きく減少して小さくなり、補助コンタクト１４０を閉位置に保持することができなくなる。それゆえに、補助コンタクト１４０は、自動的に開位置となる。
【０１０６】
一方、補助コンタクト１４０の電流の強さは、ＰＴＣデバイス１８０が高抵抗状態であるために、Ｉｓｅｒｉａｌの初期密度に対して実質的に減少するので、補助コンタクト１４０のアークも減少する。それゆえに、コンタクトを流れる電流の流れが一旦既に安全値に至るときのみ、補助コンタクト１４０が開位置となることを確実にする一方で、所定時間の遅延後に低抵抗コイル１７０とＰＴＣデバイス１８０との組み合わせは、補助コンタクト１４０を自動的に開位置とすることを可能にする。
【０１０７】
補助コンタクト１４０でのアークをさらに抑制して最小限とするために、ＰＴＣデバイス１８０は、補助コンタクト１４０の定格電圧に基づいて選択されてもよい。
【０１０８】
すなわち、補助コンタクト１４０がこのような、すなわち低い電流の強さで開く際に、ＰＴＣデバイス１８０は、補助コンタクト１４０のアーク形成が無視できるほど、すなわち、完全に抑制する最大の高抵抗トリップ電流を有してもよい。例えば、ＰＴＣデバイス１８０の最大の高抵抗トリップ電流が、０．５Ａより小さい値に設定されてもよい。
【０１０９】
加えて、ＰＴＣデバイス１８０がトリップ状態へ至る速度は、補助リレー１５０の開位置への時間遅延を規定するためのパラメータとして用いてもよい。
【０１１０】
補助コンタクト１４０が開位置となった後、トリップしたＰＴＣデバイス１８０は、自動的に高電圧回路から切り離され、アントリップ状態の低抵抗状態へと戻る。
【０１１１】
図３には、本発明の第二の例示的な実施形態におけるスイッチ装置３が示される。
【０１１２】
図３に示されるスイッチ装置３は、主リレー１２０の主コイル３３０および補助リレー１５０の第一コイル３６０（高抵抗コイル）の配置の点において、図１に示された第一の例示的な実施形態とは異なる。
【０１１３】
本実施形態において、主リレー１２０の主コイル３３０は、図示しない同じ電圧回路によって電圧が印加された並列コイル配置を形成するために、補助リレー１５０の第一コイル３６０に並列接続される。
【０１１４】
図１で説明された実施形態と同様に、主コイル３３０および第一コイル３６０は、各々がそれぞれコイル保護部品１３５および１６５によって接続され、上述の実施形態と関連して述べられた同じ目的のために用いられる。それゆえに、主コイル３３０および第一コイル３６０についての詳細な説明は省略する。
【０１１５】
主コイル３３０の電流の流れは、減結合部品を並列コイル配置に付加することで、補助リレー１５０の高抵抗コイル３６０の電流の流れから電気的に減結合される。例示的な実施形態において、減結合部品は、補助リレー１５０の高抵抗コイル３６０と直列接続されるダイオード３５０である。
【０１１６】
図３に示されるように、減結合ダイオード３５０は、印加される電圧が並列コイル配置におけるプラス（＋）端子およびマイナス（−）端子に印加されると、逆方向へ偏倚され、ゆえに、主コイル３３０および補助リレー１５０の高抵抗コイル３６０の両方に電流を印加する流れが可能となる。一方で、減結合ダイオード３５０は、例えば、印加された電圧が消滅し磁気誘導がコイル内に依然として蓄積される際に生じる可能性がある、電流が一方のコイルから他方のコイルへ流れてしまうことを防止する。
【０１１７】
図１で説明された実施形態と同様に、本構成は、主リレー１２０および補助リレー１５０を作動させるために、同じ外部電圧回路を用いることも可能である。加えて、単一の印加された電圧は、２つのコイルの各々に電圧を印加するために十分である。
【０１１８】
大抵のアプリケーションで、補助リレー１５０の両コイルは異なる電圧下にあるので、電流感応コイル１７０は高電位に直接接続され、電圧感応コイル１６０、３６０は低電位に直接的に接続される。両電位は互いに厳格に絶縁されることが必要である。
【０１１９】
そのようなアプリケーションのために、その後二重のコイルリレー１５０が、任意の適切な公知技術を用いて、図示しない２つのコイル間が誘電体絶縁される。
【０１２０】
図４には、本発明の第３の実施形態におけるスイッチ装置４が図示される。
【０１２１】
本実施形態のスイッチ装置４は、主スイッチ１１０におけるアークを削減、および／または、回避するために用いられる補助スイッチ機構があることが、上述の実施形態と主に異なる。
【０１２２】
特に、スイッチ装置４は、上述の実施形態と同じ主スイッチ機構を含む。それゆえに、主スイッチ機構の説明は省略する。
【０１２３】
上述の実施形態において、補助スイッチ機構は、同じ部品中に電圧感応コイル１６０、３６０および電流感応コイル１７０の両方を備えた単一補助コンタクト１４０を作動させる二重のコイルリレー１５０を基部とする。
【０１２４】
上述のように、本構成には、２つのコイル（低電位の電圧感応コイルおよび高電位の電流感応コイル）間の十分な誘電体絶縁が必要となるが、具体的な特性と所望のスイッチ装置のアプリケーションに依っては、実施することが困難である場合がある。特に、誘電体絶縁は、特に小さな部品においては、１つの部品の内部で実施することが容易ではない場合がある。
【０１２５】
本実施形態は、両コイル間の絶縁がもはや不要になるように二重のコイルリレー１５０の電圧感応コイルおよび電流感応コイルの機能を別々のリレーに移す。
【０１２６】
図４に示されるように、スイッチ装置４の補助スイッチ機構は、電圧感応コイル４２０（第一コイル）と第一コイル４２０によって作動する第一補助コンタクト４３０を備えた第一補助リレー４１０と、電流感応コイル４５０（第二コイル）と第二コイル４５０によって作動する第二補助コンタクト４６０を備えた第二補助リレー４４０と、を含む。それゆえに、電圧感応コイル４２０および電流感応コイル４５０は、上述の実施形態などの同一の補助コンタクトをもはや作動させないが、各リレーがそれぞれのコンタクトを作動する。この構成は、標準的なリレーを第一補助リレー４１０として用いることができる利点もある。
【０１２７】
第一補助リレー４３０および第二補助リレー４６０は、並列接続され、バイパス回路４７０を形成するために、第二コイル４５０とＰＴＣデバイス１８０と直列接続される補助スイッチ４００を形成する。バイパス回路４７０は、主スイッチ１１０と、上述の単一補助コンタクト１４０を備えたバイパス回路１２５と同様の機能を与えるように並列接続される。バイパス回路４７０の作動の詳細については後述する。
【０１２８】
本実施形態において、図３で説明された実施形態と同様の並列コイル配置を形成するように、第一補助リレー４１０の複数のコイル端子は、主リレー１２０の主コイル３３０と接続される。それぞれのコイルは、減結合ダイオード３５０によって電気的に減結合されてもよい。第一補助リレー４１０および主リレー１２０は、図示しない同じ電圧回路によっても、電圧印加および制御可能である。これによって、主リレー１２０および第一補助リレー４１０の作動のタイミングで調整することも可能となる。
【０１２９】
別の実施形態では、主リレー１２０および補助リレー４１０の複数のコイルは、図１を参照して説明した直列コイル配置によって、接続されてもよい。
【０１３０】
主コイル３３０および第一抵抗コイル４２０は、同様の目的のために、図１または図３で説明された実施形態と同様に、それぞれのコイル保護部品１３５，１６５によっても接続されてもよい。それゆえに、詳細な説明は省略する。
【０１３１】
補助スイッチ機構の作動が、以下説明される。バイパス回路４７０は、主コンタクト１１０と並列に接続され、主コンタクト１１０が開位置となる際に、主コンタクト１１０に生じる高電界によって生じたエネルギーをバイパス回路４７０へ逃がす。
【０１３２】
当初は、ＰＴＣデバイス１８０は、低抵抗状態であり、主コイル３３０および第一コイル４２０のそれぞれに電圧を印加することによって、主コンタクト１１０および第一補助コンタクト４３０の両方が閉位置である。ＰＴＣデバイス１８０、第二コイル４５０および第一補助コンタクト４３０を流れる電流の流れは、主コンタクト１１０を流れる電流と比較して、無視できるほどである。すなわち、第二コイル４５０を流れる電流は、第二補助コンタクト４６０を閉位置にするためには発生する電磁気力が十分ではなく、開位置のままにする。
【０１３３】
コイルに印加された電圧が主リレー１２０を開位置とするために０Ｖに設定されると、する第一コイル４２０に蓄積された磁気誘導を主コイル３３０よりも遅い速度で減少させるダイオード１６５があるために、第一補助リレー４１０は、主リレー１２０に対して所定の時間遅延をもって開位置となる。それゆえに、コイル４２０によって生じ、第一補助コンタクト４３０のみ作動させる電磁気力は、所定時間経過後に消滅する。
【０１３４】
しかしながら、この時間遅延は、バイパス４７０の電流の流れを得るために十分であるので、よって、開位置となった主コンタクト１１０にアークの影響を与えることを回避する。
【０１３５】
バイパス４７０の全体の電流の流れによって、第二補助リレー４４０の第二コイル４５０には、第二コンタクト４６０を閉位置とする電磁気力が生じる。それゆえに、第一補助リレー４１０が所定時間経過後に開位置となる際であっても、閉位置の第二補助コンタクト４６０によって、電流の流れを第二バイパス回路４７０の全体に亘って維持することが可能である。
【０１３６】
ＰＴＣデバイス１８０が低抵抗状態から高抵抗状態へ変化するまで、第二補助コンタクト４６０は、閉位置のままとされる。上述の実施形態と同様に、ＰＴＣデバイスが高抵抗状態へ変化する際に、第二コイル４５０を流れる電流の強さは大きく減少し、小さくなりすぎて第二補助コンタクト４６０が閉位置に保持することができなくなる。これは、電流の強さが、アーク効果が生じないレベルでもある。
【０１３７】
この時に、第二補助コンタクト４６０が開き、負荷回路を高電圧電源から完全に接続解除させる。これによって、ＰＴＣデバイス１８０が低抵抗状態へと戻ることも可能となる。
【０１３８】
それゆえに、上述の実施形態と同様に、コンタクトに流れる電流の流れが、アークの影響がなくなるまたは大きく減少する所定値に至ると、第二補助リレー４４０が自動的に開く。
【０１３９】
主コンタクト１１０および２つの補助コンタクトを備えるバイパス回路４７０は、スイッチコンタクトのアークを減少、および／または、抑制する他のアーク抑制回路５を備え、アーク抑制回路５は、負荷経路に印加された高電圧を遮断するために、負荷経路に直列接続される。
【０１４０】
当業者にとって明らかであるように、実施形態の多くの変更および／または組み合わせは、本発明の範囲を逸脱することなく予測可能である。
【０１４１】
例えば、本発明のスイッチ装置は、同じ外部電圧回路によって電圧印加された主リレーおよび補助リレーを含むものとして記載されたが、主リレーおよび補助リレーは、独立した電気回路、すなわち分けられた電圧回路によって、印加される分けられた電気回路として備えられてもよい。他の変更としては、主コンタクトが主リレー以外の形態で動かされるなど（例えば、手動）が予測可能である。この場合、省略され、および／または、主リレーは、主スイッチに代わる作動機構によって置換され、補助リレーは、主スイッチが開位置となるように作動した後に、補助リレーの第一コイルへ印加された電圧が殆ど０Ｖに設定されるようにされてもよい。
【０１４２】
加えて、本発明は、高電圧リレーとして記載されたが、機械的スイッチにおけるアークの影響を減少、および／または、抑制は、スイッチ装置の寿命および信頼性のために重要なファクターであるので、本発明のアーク抑制回路を高電圧リレー以外のスイッチ装置に用いても利点がある。
【符号の説明】
【０１４３】
１，２，３，４・・・スイッチ装置
１００・・・負荷経路
１１０・・・主スイッチ
１２０・・・主スイッチ機構
１３０，３３０・・・主コイル
１４０，４００・・・補助スイッチ
１５０，４１０，４４０・・・補助スイッチ機構
１６０，３６０，４２０・・・第一コイル
１６５・・・コイル保護部品
１７０，４５０・・・第二コイル
１８０・・・ＰＴＣデバイス
３５０・・・減結合部品
４１０，４４０・・・補助リレー
４３０，４６０・・・補助コンタクト
【図１】
2012023040.tif 000003
【図２Ａ】
2012023040.tif 000004
【図２Ｂ】
2012023040.tif 000005
【図２Ｃ】
2012023040.tif 000006
【図３】
2012023040.tif 000007
【図４】
2012023040.tif 000008