JP4043626B2 - 負荷駆動回路 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、負荷に供給する負荷電流を直接ＯＮ／ＯＦＦする常用遮断スイッチと、常用遮断スイッチのＯＮ故障時に負荷電流を強制的に遮断する非常用遮断スイッチとを直列接続して構成される負荷駆動回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、機械可動部を駆動制御する場合、作業者等の安全を考慮すると、停止すべき時に停止できる能力が重要視され冗長構成としている。例えば、機械可動部の通電を制御する場合、通電回路に直列に２つのスイッチを介装し、一方のスイッチにＯＮ故障が生じても他方のスイッチで通電路を強制遮断できる構成とする。かかる直列二重系の構成を用いた負荷駆動回路は、例えば国際公報ＷＯ９８／１０４５２等で公知である。
【０００３】
図９に、このような直列二重系構成の従来の負荷駆動回路の一例を示す。
図９において、負荷（図示せず）の通電回路１に、各電磁リレー２，３のそれぞれの動作接点（励磁時ＯＮとなる）２ａ，３ａを直列に介装する。前記各電磁リレー２，３としては、前記動作接点２ａ，３ａとＯＮ／ＯＦＦ動作が互いに相補の関係にある復帰接点２ｂ，３ｂを有する強制操作型電磁リレーを用いる。リレー制御回路４は、負荷駆動信号が入力すると、復帰接点２ｂ，３ｂがＯＮしていることを条件（動作接点２ａ，３ａのＯＦＦの確認で、バックチェックと呼ぶ）に出力（交流信号）を発生し、この出力を自己保持する自己保持機能及びこの自己保持回路の出力をオン・ディレーするオン・ディレー機能を備えたシーケンス回路５を有する。そして、１系として自己保持出力を直接受ける交流増幅器６Ａ、トランス６Ｂ、整流回路６Ｃ及びオフ・ディレー回路６Ｄからなるリレー駆動回路６が設けられて電磁リレー２を駆動し、２系としてオン・ディレー出力を受けて電磁リレー３を駆動する半導体スイッチ回路７が設けられる。
【０００４】
従って、負荷通電開始時は、１系の動作接点２ａがＯＮしてから２系の動作接点３ａがＯＮし、負荷通電終了時は、２系の動作接点３ａがＯＦＦしてから１系の動作接点２ａがＯＦＦする。
【０００５】
負荷駆動信号ＩＮ、動作接点２ａ，３ａのＯＮ／ＯＦＦ動作及び負荷電流Ｉの関係は、図１０のようになる。
即ち、１系の動作接点２ａは、直接負荷電流を遮断せず非常用遮断スイッチの機能を有し、２系の動作接点３ａは、直接負荷電流の遮断／通電を制御する常用遮断スイッチの機能を有する。この回路では、半導体スイッチのＯＦＦ機能正常の確認は、負荷通電中に負荷動作に影響を与えない時間で間欠的に半導体スイッチをＯＦＦさせて確認できる。
【０００６】
また、別の従来例として、図１１に示すように、常用遮断スイッチ側を、２つの動作接点３ａ，３ａ′の並列回路による並列二重系で構成し、それぞれ半導体スイッチ回路７，７′で電磁リレー３，３′を駆動する。そして、図１２のタイムチャートに示すように、負荷通電中に２つの電磁リレー３，３′を交互にＯＮ／ＯＦＦ駆動する。図中、３ｂ′は電磁リレー３′の復帰接点を示す。
【０００７】
この回路では、常用遮断スイッチ側の電磁リレーのＯＦＦ機能正常確認は、負荷通電中に各電磁リレーの復帰接点がＯＮ／ＯＦＦ動作を繰り返すことで確認できる。尚、図９と同一部分には同一符号を付してある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の負荷駆動回路では、１系と２系の動作シーケンスを保証するために、フェールセーフなオフ・ディレー回路やオン・ディレー回路を必要とし、リレー制御回路の構成が煩雑である。また、電磁リレーの駆動にトランス結合を用いているため、大出力の場合、回路が大型化する等の問題がある。
【０００９】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、回路構成の簡素化及び小型化、が図れ、しかも、高い信頼性を備えた負荷駆動回路を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明の請求項１では、負荷給電回路に、常用遮断スイッチと非常用遮断スイッチを直列に介装し、負荷駆動信号の入力で、非常用遮断スイッチ、常用遮断スイッチの順でＯＮ駆動して負荷に給電し、前記負荷駆動信号の停止で、常用遮断スイッチ、非常用遮断スイッチの順でＯＦＦ駆動して負荷の給電を停止する構成の負荷駆動回路において、励磁時にそれぞれＯＮする第１動作接点と第２動作接点と、前記第１動作接点と相補の関係でＯＮ／ＯＦＦ動作する第１復帰接点と、前記第２動作接点と相補の関係でＯＮ／ＯＦＦ動作する第２復帰接点とを備え、第１動作接点の可動接点と固定接点間距離が第２動作接点の可動接点と固定接点間距離より短い構成の電磁リレーを設け、該電磁リレーの前記第１動作接点を前記非常用遮断スイッチとし、前記第２動作接点を前記常用遮断スイッチとすると共に、前記第１及び第２復帰接点が共にＯＮしていることを条件に、前記負荷駆動信号の入力でリレー駆動信号を出力するリレー制御手段を備え、前記リレー制御手段を、トリガ端子に前記第１及び第２復帰接点が共にＯＮした時にトリガ信号が入力し、ホールド端子に前記負荷駆動信号が入力して出力を発生し当該出力でトリガ信号を自己保持する自己保持回路と、該自己保持回路の出力に基づいてトランス結合を介して前記リレー駆動信号を発生するリレー駆動回路とを備える構成とした。
【００１１】
かかる構成では、負荷駆動信号が入力すると、電磁リレーが励磁される。この場合、可動接点と固定接点間距離の短い第１動作接点が先にＯＮとなり、その後に第２動作接点がＯＮする。負荷駆動信号が停止して電磁リレーが非励磁になった時は、逆に、第２動作接点が先にＯＦＦし、その後に第１動作接点がＯＦＦするようになる。また、電磁リレーの第１及び第２復帰接点が共にＯＮしている時、即ち、第１及び第２動作接点のＯＦＦ機能が正常の時のみ、負荷駆動信号の入力で電磁リレーが励磁されるようになる。更に、トランス結合により交流信号を用いて電磁リレーを駆動するので、フェールセーフなリレー駆動回路となる。
【００１５】
請求項２の発明は、負荷給電回路に、常用遮断スイッチと非常用遮断スイッチを直列に介装し、負荷駆動信号の入力で、非常用遮断スイッチ、常用遮断スイッチの順でＯＮ駆動して負荷に給電し、前記負荷駆動信号の停止で、常用遮断スイッチ、非常用遮断スイッチの順でＯＦＦ駆動して負荷の給電を停止する構成の負荷駆動回路において、励磁時にそれぞれＯＮする第１動作接点及び第２動作接点と、前記第１動作接点と相補の関係でＯＮ／ＯＦＦ動作する第１復帰接点と、前記第２動作接点と相補の関係でＯＮ／ＯＦＦ動作する第２復帰接点とを備え、第１動作接点の可動接点と固定接点間距離が第２動作接点の可動接点と固定接点間距離より短い構成の電磁リレーを複数個設け、これら電磁リレーの各第１動作接点を前記非常用遮断スイッチとし、各第２動作接点を前記常用遮断スイッチとすると共に、前記第１及び第２復帰接点が共にＯＮしていることを条件に、前記負荷駆動信号の入力でリレー駆動信号を出力するリレー制御手段を備え、前記リレー制御手段を、トリガ端子に前記第１及び第２復帰接点が共にＯＮした時にトリガ信号が入力し、ホールド端子に前記負荷駆動信号が入力して出力を発生し当該出力でトリガ信号を自己保持する自己保持回路と、前記複数個の電磁リレー毎に設けられ、前記自己保持回路の出力に基づいて対応する各電磁リレーにリレー駆動信号をそれぞれ出力する複数個の半導体スイッチ回路とを備えて構成した。
【００１６】
かかる構成では、負荷の通電制御が多重系構成となり、全ての半導体スイッチ回路にＯＮ故障が発生しない限り、負荷の通電を遮断する機能が失われることはない。
【００１７】
請求項３では、前記各半導体スイッチ回路は、前記電磁リレーと直列接続され前記自己保持回路の出力に基づいて入力するパルス信号のＯＮ／ＯＦＦによりＯＮ／ＯＦＦ動作して負荷電磁リレーへの電流の通電／遮断を制御するリレー通電用半導体スイッチと、電磁リレーに対して並列接続し前記パルス信号のＯＮ／ＯＦＦによりＯＮ／ＯＦＦ動作して電磁リレーの両端を短絡するリレー短絡用半導体スイッチとを備え、前記リレー通電用半導体スイッチがＯＮ故障した時に過電流の発生で電磁リレーの通電経路が遮断されると共に、回路故障時に故障検出出力を発生する故障検出機能を有する構成とした。
【００１８】
かかる構成では、リレー通電用半導体スイッチがＯＮ故障すると、リレー短絡用半導体スイッチがＯＮした時に過電流が流れリレーの通電経路が遮断される。また、回路故障時には故障検出機能で故障検出ができるようになる。
【００１９】
請求項４では、前記各半導体スイッチ回路は、前記リレー通電用半導体スイッチ及びリレー短絡用半導体スイッチをそれぞれ２個備え、一方のリレー通電用及びリレー短絡用の各半導体スイッチの直列回路と、他方のリレー通電用及びリレー短絡用の各半導体スイッチの直列回路とを、電源端子と接地端子との間に互いに並列接続してブリッジ回路を構成し、各直列回路の半導体スイッチ間を接続して電磁リレーを介装し、該電磁リレーに並列接続して回路故障検出用のフォトカプラを設ける構成とした。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の負荷駆動回路の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る負荷駆動回路の第１実施形態の構成図である。
【００２１】
図１において、本実施形態の負荷駆動回路は、後述する電磁リレー２０の２つの復帰接点ｂ１，ｂ２が共にＯＮ状態にあることを条件に負荷駆動信号ＩＮが入力した時にリレー駆動信号を出力するリレー制御手段としてのリレー制御回路１０を備える。
【００２２】
リレー制御回路１０は、前記復帰接点ｂ１，ｂ２が共にＯＮしている時に後述の動作接点ａ１，ａ２のＯＦＦ確認信号（電源電圧ＶCC）がトリガ端子Ｔにトリガ信号として入力し、ホールド端子Ｈに負荷駆動信号ＩＮが入力した時に交流出力を発生し、この交流出力をトリガ端子Ｔに帰還してトリガ信号を自己保持する自己保持回路１１と、この自己保持回路１１の交流出力に基づいてトランス結合を介して電磁リレー２０を励磁するリレー駆動信号を出力するリレー駆動回路１２とを備える。尚、自己保持回路としては、フェールセーフな論理積演算発振器を用いた国際公開ＷＯ９４／２３３０３号公報、国際公開ＷＯ９４／２３４９６号公報等で公知のフェールセーフな回路を用いることができる。
【００２３】
前記リレー駆動回路１２は、自己保持回路１１の交流出力を増幅する交流増幅回路１２Ａと、１次側に入力する交流増幅回路１２Ａの増幅出力を２次側に伝達するトランス１２Ｂと、トランス１２Ｂの交流出力を整流して電磁リレー２０にリレー駆動信号を出力する整流回路１２Ｃとを備える。
【００２４】
電磁リレー２０の２つの動作接点ａ１，ａ２は、負荷（図示せず）に給電するための負荷給電回路１４に直列に介装されて構成される。
図２に、本実施形態の電磁リレー２０の接点構造を示す。
【００２５】
図２において、本実施形態の電磁リレー２０は、前述のように２つの第１及び第２動作接点ａ１，ａ２と、該第１及び第２動作接点ａ１，ａ２とそれぞれ相補の関係でＯＮ／ＯＦＦ動作する第１及び第２復帰接点ｂ１，ｂ２を備えている。
【００２６】
また、第１及び第２動作接点ａ１，ａ２は、それぞれ互いに向き合う可動接点ａ１１，ａ２１と固定接点ａ１２，ａ２２からなり、第１及び第２復帰接点ｂ１，ｂ２は、それぞれ互いに向き合う可動接点ｂ１１，ｂ２１と固定接点ｂ１２，ｂ２２からなる。
【００２７】
そして、各可動接点ａ１１，ａ２１，ｂ１１，ｂ２１は、励磁時に図の右方向（図中の矢印方向）に移動し、非励磁時に例えばバネの弾性復帰力により矢印方向とは逆方向に移動し元の位置に復帰する可動絶縁板２１に可撓性を有する支持部材を介して図示のように固定される。また、各固定接点ａ１２，ａ２２，ｂ１２，ｂ２２は、可動絶縁板２１に対面配置された固定絶縁板２２に可撓性を有する支持部材を介して図示のように固定される。尚、可動絶縁板２１の復帰力は、第２動作接点ａ２に溶着が生じても第１動作接点ａ１の引き離し距離ｘ１を確保できる力を設定しておけばよい。
【００２８】
そして、第１動作接点ａ１の可動接点ａ１１と固定接点ａ１２間距離ｘ１と、第２動作接点ａ２の可動接点ａ２１と固定接点ａ２２間距離ｘ２は、距離ｘ１が距離ｘ２より短く（ｘ１＜ｘ２）設定されている。
【００２９】
従って、本実施形態の電磁リレー２０は、図３に示すように、励磁時は電磁力の増大に伴い第１動作接点ａ１がＯＮした後で第２動作接点ａ２がＯＮし、非励磁時は逆に電磁力の減少に伴い第２動作接点ａ２がＯＦＦした後で第１動作接点ａ１がＯＦＦする。ここで、第１動作接点ａ１が非常時に負荷給電回路１４を遮断するための非常用遮断スイッチの機能を有し、第２動作接点ａ２が通常時に負荷給電回路１４の電流を遮断するための常用遮断スイッチの機能を有する。
【００３０】
次に第１実施形態の回路の動作を説明する。
負荷への給電開始時、電磁リレー２０の第１及び第２動作接点ａ１，ａ２が正常にＯＦＦ状態にあれば、その第１及び第２復帰接点ｂ１，ｂ２はＯＮ状態にあり、電源電圧ＶCCがリレー制御回路１０の自己保持回路１１のトリガ端子Ｔに入力する。この状態で、負荷駆動信号ＩＮがホールド端子Ｈに入力すると自己保持回路１１から交流出力が発生し、リレー駆動回路６の交流増幅回路１２Ａ、トランス１２Ｂ及び整流回路１２Ｃを介して電磁リレー２０が励磁される。これにより、第１動作接点ａ１がＯＮし、その後、第２動作接点ａ２がＯＮして負荷給電回路１４が閉路して負荷に給電される。第１動作接点ａ１がＯＮした時点でその復帰接点ｂ１はＯＦＦになるが、自己保持回路１１の自己保持機能によって自己保持回路１１の出力が継続し負荷への通電は継続する。
【００３１】
負荷駆動信号ＩＮが停止すると、自己保持回路１１の出力が停止して電磁リレー２０が非励磁となる。これにより、第２動作接点ａ２が先にＯＦＦして負荷の給電が停止し、その後、第１動作接点ａ１がＯＦＦする。第１及び第２動作接点ａ１，ａ２が正常にＯＦＦすれば、第１及び第２復帰接点ｂ１，ｂ２がＯＮとなり、第１及び第２動作接点ａ１，ａ２のＯＦＦ確認信号が自己保持回路１１のトリガ端子Ｔに入力し、次の負荷給電動作に備える。
【００３２】
第２動作接点ａ２に溶着故障が生じた場合、負荷駆動信号ＩＮの停止で第１動作接点ａ１がＯＦＦして負荷の給電は停止できる。そして、次の給電動作時には、第２復帰接点ｂ２がＯＮせず、リレーのＯＦＦ確認信号が発生しないので、リレー制御回路１０からリレー駆動信号が生成されず負荷への給電は行われない。
【００３３】
かかる構成によれば、従来のように、オフ・ディレー回路やオン・ディレー回路等を用いる必要がなくリレー制御回路の構成を簡素化できる。また、トランス結合により交流信号を利用して電磁リレー２０を駆動する構成としているので、フェールセーフな信号処理となり、安全性が低下することはない。
【００３４】
図４は、本発明の第２実施形態の構成図である。
図４において、本実施形態の負荷駆動回路は、第１実施形態で説明した構造を有する２個の電磁リレー２０Ａ，２０Ｂの動作接点ａ１Ａ，ａ２Ａとａ１Ｂ，ａ２Ｂを負荷給電回路１４に直列に介装する。また、電磁リレー２０Ａ，２０Ｂの各復帰接点ｂ１Ａ，ｂ２Ａとｂ１Ｂ，ｂ２Ｂも、電源電圧ＶCC端子とリレー制御回路３０の自己保持回路３１のトリガ端子Ｔとの間に直列に接続する。そして、本実施形態のリレー制御回路３０は、図１に示す自己保持回路を備えた出力制御回路３１と、自己保持回路の出力に基づく出力制御回路３１の出力により電磁リレー２０Ａを駆動する半導体スイッチ回路３２と、同じく出力制御回路３１の出力に基づいて電磁リレー２０Ｂを駆動する半導体スイッチ回路３３とを備える構成である。
【００３５】
図５に、前記各半導体スイッチ回路３２，３３の一例を示す。尚、各半導体スイッチ回路３２，３３は同一構成である。
図５において、電源電圧ＶCC端子とＧＮＤ端子との間に、ヒューズＦ、抵抗Ｒ１，Ｒ２及びＮＰＮトランジスタＱ１が順次直列接続する。前記抵抗Ｒ１，Ｒ２とＮＰＮトランジスタＱ１の直列回路に対して並列に、ＰＮＰトランジスタＱ２とＮＰＮトランジスタＱ３の直列回路が接続する。抵抗Ｒ１とＲ２の中間点を前記トランジスタＱ２のベースに接続し、トランジスタＱ１のコレクタ端子をトランジスタＱ３のベースに接続する。トランジスタＱ２とＱ３の互いのコレクタ端子間に抵抗を介してコンデンサＣが接続する。そして、トランジスタＱ３に並列に、半導体スイッチ回路３２では電磁リレー２０Ａが、半導体スイッチ回路３３では電磁リレー２０Ｂが接続する。ここで、トランジスタＱ２がリレー通電用半導体スイッチの機能を有し、トランジスタＱ３がリレー短絡用半導体スイッチの機能を有する。
【００３６】
かかる半導体スイッチ回路３２，３３では、トランジスタＱ１のベースに、図５に示すようなパルス波形の入力信号が入力すると、トランジスタＱ１がＯＮし、トランジスタＱ２がＯＮ、トランジスタＱ３がＯＦＦとなって、電磁リレーが励磁される。入力信号がＯＮからＯＦＦになると、トランジスタＱ１がＯＦＦし、トランジスタＱ２がＯＦＦ、トランジスタＱ３がＯＮとなって、電磁リレーは非励磁となる。前記入力信号のＯＦＦ時間は、電磁リレー２０Ａ，２０Ｂの動作接点ａ１Ａ，ａ２Ａとａ１Ｂ，ａ２ＢがＯＮ状態を維持できるように十分短く設定される。
【００３７】
かかる半導体スイッチ回路３２，３３によれば、トランジスタＱ２に短絡（ＯＮ側）故障を生じると、入力信号がＯＦＦした時にトランジスタＱ３がＯＮし、電源電圧端子とＧＮＤ端子間が短絡されて過電流が流れることにより、ヒューズＦが溶断し、半導体スイッチ回路の出力を停止する。仮にヒューズＦが溶断しない場合でも、トランジスタＱ２の短絡故障時には図５のＶ１点に交流信号が発生するので、コンデンサＣによる交流結合を介してその交流信号を整流して出力を取り出すことで、トランジスタＱ２の短絡故障を検出することが可能である。前記コンデンサＣが回路故障検出機能の役割を果たす。トランジスタＱ２に断線（ＯＦＦ側）故障が生じると、故障検出用のコンデンサＣの充電時定数が長くなって、その交流出力信号の振幅が低下する。
【００３８】
次に動作を説明する。
電磁リレー２０Ａ，２０Ｂの正常時には、負荷駆動信号ＩＮの入力による自己保持回路の出力に基づいて、出力制御回路３１から図５に示すような間欠的にＯＦＦとなるパルス波形の入力信号が発生する。この入力信号により各半導体スイッチ回路３２，３３からリレー駆動信号がそれぞれ発生して各電磁リレー２０Ａ，２０Ｂが駆動される。この場合、各電磁リレー２０Ａ，２０Ｂの第１動作接点a １Ａ，a １ＢがＯＮし、その後、第２動作接点a ２Ａ，a ２ＢがＯＮして負荷給電回路１４に負荷電流が流れる。負荷駆動信号ＩＮが停止すれば、第２動作接点a ２Ａ，a ２ＢがＯＦＦして負荷の給電が停止し、その後、第１動作接点a １Ａ，a １ＢがＯＦＦする。
【００３９】
かかる構成によれば、半導体スイッチ回路３２，３３のどちらか一方に出力のＯＮ故障（出力が発生し続ける故障）が発生しても、負荷駆動信号ＩＮが停止すれば、正常側の半導体スイッチ回路により電磁リレーが駆動されて負荷の給電を停止できる。即ち、２つの電磁リレー２０Ａ，２０Ｂで直列２重系を構成して冗長構成としている。これにより、トランス結合を利用することなく半導体スイッチ回路を用いても安全性を確保でき、負荷駆動回路の小型化が容易となる。
【００４０】
ただし、図５の半導体スイッチ回路の構成では、トランジスタＱ１に短絡故障が生じると、入力信号の有無に関係なくトランジスタＱ２のＯＮ状態及びトランジスタＱ３のＯＦＦ状態が継続して、リレー駆動信号の遮断能力が喪失し、電磁リレーが励磁され続けてしまう。従って、半導体スイッチ回路３２，３３の両方にトランジスタＱ１の短絡故障が生じた場合、負荷の給電を遮断できなくなる。
【００４１】
図６は、半導体スイッチ回路の別の構成例を示す。尚、図５と同一要素には同一符号を付してある。
図６において、抵抗Ｒ３とトランジスタＱ１のコレクタとの間とトランジスタＱ２のベースとの間に、コンデンサＣ１，Ｃ２とダイオードＤ１，Ｄ２からなる倍電圧整流回路を設け、倍電圧整流回路の出力端Ｖ２（ダイオードＤ２とコンデンサＣ２の接続点）をトランジスタＱ２のベースに接続する。トランジスタＱ２は、出力端Ｖ２の電圧が電源電圧ＶCCより大きい時ＯＦＦし、電源電圧ＶCC以下の時ＯＮする。また、出力端Ｖ２の出力電圧を分圧する抵抗Ｒ４，Ｒ５を設け、この分圧点をトランジスタＱ３のベースに接続する。前記抵抗Ｒ４，Ｒ５は、出力端Ｖ２の出力電圧が電源電圧ＶCCより高い時にトランジスタＱ３がＯＮし、電源電圧ＶCC以下の時にトランジスタＱ３がＯＦＦするよう抵抗値を設定する。電磁リレー２０Ａ，２０ＢはトランジスタＱ２に並列接続され、トランジスタＱ３に直列接続する。従って、この半導体スイッチ回路３２′，３３′では、トランジスタＱ２がリレー短絡用半導体スイッチの機能を有し、トランジスタＱ３がリレー通電用半導体スイッチの機能を有する。
【００４２】
この半導体スイッチ回路３２′，３３′は、図６に示すように、間欠的にＯＦＦとなる高周波の信号を入力信号に使用する。この入力信号と出力端Ｖ２の出力電圧との関係を図７に示す。
【００４３】
かかる構成では、高周波信号がＯＮの期間は、電源電圧ＶCCより高い倍電圧整流出力が出力端Ｖ２に発生する。この時、トランジスタＱ２がＯＦＦ、トランジスタＱ３がＯＮとなり、電磁リレー２０Ａ，２０Ｂは励磁される。高周波信号がＯＦＦの期間は、出力端Ｖ２の電圧は電源電圧ＶCC以下となって、トランジスタＱ２がＯＮ、トランジスタＱ３がＯＦＦとなって、電磁リレー２０Ａ，２０Ｂは非励磁となる。
【００４４】
この半導体スイッチ回路３２′，３３′の構成によれば、トランジスタＱ１に短絡（ＯＮ側）故障が生じると、出力端Ｖ２には電源電圧ＶCCより高い電位は発生し得ない。従って、トランジスタＱ３はＯＮせず電磁リレー２０Ａ，２０Ｂは非励磁となるので、図５の半導体スイッチ回路３２，３３のようにトランジスタＱ１に短絡（ＯＮ側）故障でリレー駆動信号が発生し続けるという問題を解消できる。
【００４５】
尚、図６の回路構成では、トランジスタＱ２に断線（ＯＦＦ側）故障を生じると、回路故障検出用のコンデンサＣに充電された電荷は、電磁リレー２０Ａ，２０Ｂを介して放電されることになるので、その交流出力信号の振幅が低下する。
【００４６】
ところで、図５及び図６の半導体スイッチ回路の構成は、リレー通電用半導体スイッチ（図５ではトランジスタＱ２、図６ではトランジスタＱ３）とリレー短絡用半導体スイッチ（図５ではトランジスタＱ３、図６ではトランジスタＱ２）を設け、リレー通電用半導体スイッチに短絡故障が生じた場合、リレー短絡用半導体スイッチがＯＮすることによりヒューズＦを溶断し、電磁リレーを非励磁とする構成としている。リレー短絡用半導体スイッチの断線（ＯＦＦ側）故障は、この機能の喪失を意味し、リレー短絡用半導体スイッチにＯＦＦ側故障が生じている状況で、リレー通電用半導体スイッチに短絡（ＯＮ側）故障を生じると電磁リレーが励磁され続け負荷の給電を停止できなくなる。このため、リレー短絡用半導体スイッチのＯＦＦ側故障の検出は極めて重要である。
【００４７】
図８は、リレー短絡用半導体スイッチのＯＦＦ側故障の検出を一層確実にした半導体スイッチ回路の構成例を示す。尚、図５及び図６と同一要素には同一符号を付してある。
【００４８】
図８において、この半導体スイッチ回路３２”，３３”は、４つのトランジスタＱ２，Ｑ２′，Ｑ３，Ｑ３′でブリッジ回路を構成している。トランジスタＱ２とＱ３′の互いのコレクタ接続点とトランジスタＱ３とＱ２′の互いのエミッタ接続点との間にダイオードＤと電磁リレー２０Ａ（又は２０Ｂ）の直列回路を接続する。また、この直列回路に、抵抗とフォトカプラＰＣの直列回路を並列接続する。
【００４９】
トランジスタＱ２とＱ２′がＯＮして図中矢印の向きに電流が流れる時、電磁リレーが励磁され、トランジスタＱ３とＱ３′がＯＮして図中の矢印と逆向きに電流が流れる時、フォトカプラＰＣの投光素子がＯＮして受光素子から出力が発生する。従って、トランジスタＱ２，Ｑ２′がリレー通電用半導体スイッチの機能を有し、トランジスタＱ３，Ｑ３′がリレー短絡用半導体スイッチの機能を有する。そして、トランジスタＱ２，Ｑ２′とトランジスタＱ３，Ｑ３′は互いに相補の関係でＯＮ／ＯＦＦする。このトランジスタＱ２，Ｑ２′，Ｑ３，Ｑ３′をＯＮ／ＯＦＦ動作させるスイッチング回路４０としては、本実施形態では図５の一点鎖線で囲んだ回路を用いるが、図６の一点鎖線で囲んだ回路を用いることも可能である。
【００５０】
尚、ダイオードＤが短絡しても図２の可動絶縁板２１が図２の矢印方向と反対に移動するか或いは移動できず動作接点は閉じない構成としている。
この半導体スイッチ回路３２”，３３”では、図５に示すパルス波形の入力信号が入力すると、入力信号のＯＮ期間ではトランジスタＱ２，Ｑ２′がＯＮし、トランジスタＱ３，Ｑ３′がＯＦＦし、電磁リレーは励磁される。入力信号のＯＦＦ期間ではトランジスタＱ２，Ｑ２′がＯＦＦし、トランジスタＱ３，Ｑ３′はＯＮし、電磁リレーは非励磁となり、この時、フォトカプラＰＣに電流が流れて受光素子から出力が発生する。この動作が、入力信号のＯＮ／ＯＦＦに同期して繰り返される。
【００５１】
かかる構成の半導体スイッチ回路３２”，３３”が正常に動作する場合、フォトカプラＰＣの受光側には交流信号が生成される。リレー通電用のトランジスタＱ２，Ｑ２′のいずれか一方にＯＮ側故障を生じると、リレー短絡用のトランジスタＱ３，Ｑ３′が正常であれば、ヒューズＦが溶断する（尚、この時フォトカプラＰＣには交流信号が発生しない）。リレー短絡用のトランジスタＱ３，Ｑ３′のいずれか一方にＯＦＦ側故障を生じると、フォトカプラＰＣは通電されず交流信号が発生しない。従って、この半導体スイッチ回路３２”，３３”の回路故障は、フォトカプラＰＣの出力を監視することで確実に検出できる。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１の発明によれば、オフ・ディレー回路やオン・ディレー回路が不要となり、負荷駆動回路の構成を簡素化できる。
【００５３】
また、電磁リレーの動作接点がＯＦＦ状態にない時には電磁リレーの駆動信号は発生しないので、高い安全性を有する。
【００５４】
更に、トランス結合を用いてリレー駆動信号を生成しているので、フェールセーフな構成となり、高い安全性を有する。
請求項２〜４の発明によれば、電磁リレーにより２重系構成とし、且つトランス結合に代えて半導体スイッチ回路を用いたので、安全性を確保でき、且つ、負荷駆動回路の小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の回路構成図
【図２】同上実施形態の電磁リレーの接点構造を示す図
【図３】図２の電磁リレーのＯＮ／ＯＦＦ特性図
【図４】本発明の第２実施形態の回路構成図
【図５】図４の半導体スイッチ回路の構成図
【図６】半導体スイッチ回路の別の構成図
【図７】図６の入力信号と倍電圧整流回路の出力電圧の関係を示す図
【図８】半導体スイッチ回路の更に別の構成図
【図９】従来の負荷駆動回路の一例を示す回路構成図
【図１０】図９のリレー動作接点動作のタイムチャート
【図１１】従来の負荷駆動回路の別の例を示す回路構成図
【図１２】図１１のリレー動作接点動作のタイムチャート
【符号の説明】
１０，３０ リレー制御回路
１１ 自己保持回路
１２ リレー駆動回路
２０，２０Ａ，２０Ｂ 電磁リレー
３１ 出力制御回路
３２，３２′，３２”，３３，３３′，３３” 半導体スイッチ回路
ａ１，ａ２，ａ１Ａ，ａ２Ａ，ａ１Ｂ，ａ２Ｂ 動作接点
ｂ１，ｂ２，ｂ１Ａ，ｂ２Ａ，ｂ１Ｂ，ｂ２Ｂ 復帰接点
【発明の属する技術分野】
本発明は、負荷に供給する負荷電流を直接ＯＮ／ＯＦＦする常用遮断スイッチと、常用遮断スイッチのＯＮ故障時に負荷電流を強制的に遮断する非常用遮断スイッチとを直列接続して構成される負荷駆動回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、機械可動部を駆動制御する場合、作業者等の安全を考慮すると、停止すべき時に停止できる能力が重要視され冗長構成としている。例えば、機械可動部の通電を制御する場合、通電回路に直列に２つのスイッチを介装し、一方のスイッチにＯＮ故障が生じても他方のスイッチで通電路を強制遮断できる構成とする。かかる直列二重系の構成を用いた負荷駆動回路は、例えば国際公報ＷＯ９８／１０４５２等で公知である。
【０００３】
図９に、このような直列二重系構成の従来の負荷駆動回路の一例を示す。
図９において、負荷（図示せず）の通電回路１に、各電磁リレー２，３のそれぞれの動作接点（励磁時ＯＮとなる）２ａ，３ａを直列に介装する。前記各電磁リレー２，３としては、前記動作接点２ａ，３ａとＯＮ／ＯＦＦ動作が互いに相補の関係にある復帰接点２ｂ，３ｂを有する強制操作型電磁リレーを用いる。リレー制御回路４は、負荷駆動信号が入力すると、復帰接点２ｂ，３ｂがＯＮしていることを条件（動作接点２ａ，３ａのＯＦＦの確認で、バックチェックと呼ぶ）に出力（交流信号）を発生し、この出力を自己保持する自己保持機能及びこの自己保持回路の出力をオン・ディレーするオン・ディレー機能を備えたシーケンス回路５を有する。そして、１系として自己保持出力を直接受ける交流増幅器６Ａ、トランス６Ｂ、整流回路６Ｃ及びオフ・ディレー回路６Ｄからなるリレー駆動回路６が設けられて電磁リレー２を駆動し、２系としてオン・ディレー出力を受けて電磁リレー３を駆動する半導体スイッチ回路７が設けられる。
【０００４】
従って、負荷通電開始時は、１系の動作接点２ａがＯＮしてから２系の動作接点３ａがＯＮし、負荷通電終了時は、２系の動作接点３ａがＯＦＦしてから１系の動作接点２ａがＯＦＦする。
【０００５】
負荷駆動信号ＩＮ、動作接点２ａ，３ａのＯＮ／ＯＦＦ動作及び負荷電流Ｉの関係は、図１０のようになる。
即ち、１系の動作接点２ａは、直接負荷電流を遮断せず非常用遮断スイッチの機能を有し、２系の動作接点３ａは、直接負荷電流の遮断／通電を制御する常用遮断スイッチの機能を有する。この回路では、半導体スイッチのＯＦＦ機能正常の確認は、負荷通電中に負荷動作に影響を与えない時間で間欠的に半導体スイッチをＯＦＦさせて確認できる。
【０００６】
また、別の従来例として、図１１に示すように、常用遮断スイッチ側を、２つの動作接点３ａ，３ａ′の並列回路による並列二重系で構成し、それぞれ半導体スイッチ回路７，７′で電磁リレー３，３′を駆動する。そして、図１２のタイムチャートに示すように、負荷通電中に２つの電磁リレー３，３′を交互にＯＮ／ＯＦＦ駆動する。図中、３ｂ′は電磁リレー３′の復帰接点を示す。
【０００７】
この回路では、常用遮断スイッチ側の電磁リレーのＯＦＦ機能正常確認は、負荷通電中に各電磁リレーの復帰接点がＯＮ／ＯＦＦ動作を繰り返すことで確認できる。尚、図９と同一部分には同一符号を付してある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の負荷駆動回路では、１系と２系の動作シーケンスを保証するために、フェールセーフなオフ・ディレー回路やオン・ディレー回路を必要とし、リレー制御回路の構成が煩雑である。また、電磁リレーの駆動にトランス結合を用いているため、大出力の場合、回路が大型化する等の問題がある。
【０００９】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、回路構成の簡素化及び小型化、が図れ、しかも、高い信頼性を備えた負荷駆動回路を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明の請求項１では、負荷給電回路に、常用遮断スイッチと非常用遮断スイッチを直列に介装し、負荷駆動信号の入力で、非常用遮断スイッチ、常用遮断スイッチの順でＯＮ駆動して負荷に給電し、前記負荷駆動信号の停止で、常用遮断スイッチ、非常用遮断スイッチの順でＯＦＦ駆動して負荷の給電を停止する構成の負荷駆動回路において、励磁時にそれぞれＯＮする第１動作接点と第２動作接点と、前記第１動作接点と相補の関係でＯＮ／ＯＦＦ動作する第１復帰接点と、前記第２動作接点と相補の関係でＯＮ／ＯＦＦ動作する第２復帰接点とを備え、第１動作接点の可動接点と固定接点間距離が第２動作接点の可動接点と固定接点間距離より短い構成の電磁リレーを設け、該電磁リレーの前記第１動作接点を前記非常用遮断スイッチとし、前記第２動作接点を前記常用遮断スイッチとすると共に、前記第１及び第２復帰接点が共にＯＮしていることを条件に、前記負荷駆動信号の入力でリレー駆動信号を出力するリレー制御手段を備え、前記リレー制御手段を、トリガ端子に前記第１及び第２復帰接点が共にＯＮした時にトリガ信号が入力し、ホールド端子に前記負荷駆動信号が入力して出力を発生し当該出力でトリガ信号を自己保持する自己保持回路と、該自己保持回路の出力に基づいてトランス結合を介して前記リレー駆動信号を発生するリレー駆動回路とを備える構成とした。
【００１１】
かかる構成では、負荷駆動信号が入力すると、電磁リレーが励磁される。この場合、可動接点と固定接点間距離の短い第１動作接点が先にＯＮとなり、その後に第２動作接点がＯＮする。負荷駆動信号が停止して電磁リレーが非励磁になった時は、逆に、第２動作接点が先にＯＦＦし、その後に第１動作接点がＯＦＦするようになる。また、電磁リレーの第１及び第２復帰接点が共にＯＮしている時、即ち、第１及び第２動作接点のＯＦＦ機能が正常の時のみ、負荷駆動信号の入力で電磁リレーが励磁されるようになる。更に、トランス結合により交流信号を用いて電磁リレーを駆動するので、フェールセーフなリレー駆動回路となる。
【００１５】
請求項２の発明は、負荷給電回路に、常用遮断スイッチと非常用遮断スイッチを直列に介装し、負荷駆動信号の入力で、非常用遮断スイッチ、常用遮断スイッチの順でＯＮ駆動して負荷に給電し、前記負荷駆動信号の停止で、常用遮断スイッチ、非常用遮断スイッチの順でＯＦＦ駆動して負荷の給電を停止する構成の負荷駆動回路において、励磁時にそれぞれＯＮする第１動作接点及び第２動作接点と、前記第１動作接点と相補の関係でＯＮ／ＯＦＦ動作する第１復帰接点と、前記第２動作接点と相補の関係でＯＮ／ＯＦＦ動作する第２復帰接点とを備え、第１動作接点の可動接点と固定接点間距離が第２動作接点の可動接点と固定接点間距離より短い構成の電磁リレーを複数個設け、これら電磁リレーの各第１動作接点を前記非常用遮断スイッチとし、各第２動作接点を前記常用遮断スイッチとすると共に、前記第１及び第２復帰接点が共にＯＮしていることを条件に、前記負荷駆動信号の入力でリレー駆動信号を出力するリレー制御手段を備え、前記リレー制御手段を、トリガ端子に前記第１及び第２復帰接点が共にＯＮした時にトリガ信号が入力し、ホールド端子に前記負荷駆動信号が入力して出力を発生し当該出力でトリガ信号を自己保持する自己保持回路と、前記複数個の電磁リレー毎に設けられ、前記自己保持回路の出力に基づいて対応する各電磁リレーにリレー駆動信号をそれぞれ出力する複数個の半導体スイッチ回路とを備えて構成した。
【００１６】
かかる構成では、負荷の通電制御が多重系構成となり、全ての半導体スイッチ回路にＯＮ故障が発生しない限り、負荷の通電を遮断する機能が失われることはない。
【００１７】
請求項３では、前記各半導体スイッチ回路は、前記電磁リレーと直列接続され前記自己保持回路の出力に基づいて入力するパルス信号のＯＮ／ＯＦＦによりＯＮ／ＯＦＦ動作して負荷電磁リレーへの電流の通電／遮断を制御するリレー通電用半導体スイッチと、電磁リレーに対して並列接続し前記パルス信号のＯＮ／ＯＦＦによりＯＮ／ＯＦＦ動作して電磁リレーの両端を短絡するリレー短絡用半導体スイッチとを備え、前記リレー通電用半導体スイッチがＯＮ故障した時に過電流の発生で電磁リレーの通電経路が遮断されると共に、回路故障時に故障検出出力を発生する故障検出機能を有する構成とした。
【００１８】
かかる構成では、リレー通電用半導体スイッチがＯＮ故障すると、リレー短絡用半導体スイッチがＯＮした時に過電流が流れリレーの通電経路が遮断される。また、回路故障時には故障検出機能で故障検出ができるようになる。
【００１９】
請求項４では、前記各半導体スイッチ回路は、前記リレー通電用半導体スイッチ及びリレー短絡用半導体スイッチをそれぞれ２個備え、一方のリレー通電用及びリレー短絡用の各半導体スイッチの直列回路と、他方のリレー通電用及びリレー短絡用の各半導体スイッチの直列回路とを、電源端子と接地端子との間に互いに並列接続してブリッジ回路を構成し、各直列回路の半導体スイッチ間を接続して電磁リレーを介装し、該電磁リレーに並列接続して回路故障検出用のフォトカプラを設ける構成とした。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の負荷駆動回路の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る負荷駆動回路の第１実施形態の構成図である。
【００２１】
図１において、本実施形態の負荷駆動回路は、後述する電磁リレー２０の２つの復帰接点ｂ１，ｂ２が共にＯＮ状態にあることを条件に負荷駆動信号ＩＮが入力した時にリレー駆動信号を出力するリレー制御手段としてのリレー制御回路１０を備える。
【００２２】
リレー制御回路１０は、前記復帰接点ｂ１，ｂ２が共にＯＮしている時に後述の動作接点ａ１，ａ２のＯＦＦ確認信号（電源電圧ＶCC）がトリガ端子Ｔにトリガ信号として入力し、ホールド端子Ｈに負荷駆動信号ＩＮが入力した時に交流出力を発生し、この交流出力をトリガ端子Ｔに帰還してトリガ信号を自己保持する自己保持回路１１と、この自己保持回路１１の交流出力に基づいてトランス結合を介して電磁リレー２０を励磁するリレー駆動信号を出力するリレー駆動回路１２とを備える。尚、自己保持回路としては、フェールセーフな論理積演算発振器を用いた国際公開ＷＯ９４／２３３０３号公報、国際公開ＷＯ９４／２３４９６号公報等で公知のフェールセーフな回路を用いることができる。
【００２３】
前記リレー駆動回路１２は、自己保持回路１１の交流出力を増幅する交流増幅回路１２Ａと、１次側に入力する交流増幅回路１２Ａの増幅出力を２次側に伝達するトランス１２Ｂと、トランス１２Ｂの交流出力を整流して電磁リレー２０にリレー駆動信号を出力する整流回路１２Ｃとを備える。
【００２４】
電磁リレー２０の２つの動作接点ａ１，ａ２は、負荷（図示せず）に給電するための負荷給電回路１４に直列に介装されて構成される。
図２に、本実施形態の電磁リレー２０の接点構造を示す。
【００２５】
図２において、本実施形態の電磁リレー２０は、前述のように２つの第１及び第２動作接点ａ１，ａ２と、該第１及び第２動作接点ａ１，ａ２とそれぞれ相補の関係でＯＮ／ＯＦＦ動作する第１及び第２復帰接点ｂ１，ｂ２を備えている。
【００２６】
また、第１及び第２動作接点ａ１，ａ２は、それぞれ互いに向き合う可動接点ａ１１，ａ２１と固定接点ａ１２，ａ２２からなり、第１及び第２復帰接点ｂ１，ｂ２は、それぞれ互いに向き合う可動接点ｂ１１，ｂ２１と固定接点ｂ１２，ｂ２２からなる。
【００２７】
そして、各可動接点ａ１１，ａ２１，ｂ１１，ｂ２１は、励磁時に図の右方向（図中の矢印方向）に移動し、非励磁時に例えばバネの弾性復帰力により矢印方向とは逆方向に移動し元の位置に復帰する可動絶縁板２１に可撓性を有する支持部材を介して図示のように固定される。また、各固定接点ａ１２，ａ２２，ｂ１２，ｂ２２は、可動絶縁板２１に対面配置された固定絶縁板２２に可撓性を有する支持部材を介して図示のように固定される。尚、可動絶縁板２１の復帰力は、第２動作接点ａ２に溶着が生じても第１動作接点ａ１の引き離し距離ｘ１を確保できる力を設定しておけばよい。
【００２８】
そして、第１動作接点ａ１の可動接点ａ１１と固定接点ａ１２間距離ｘ１と、第２動作接点ａ２の可動接点ａ２１と固定接点ａ２２間距離ｘ２は、距離ｘ１が距離ｘ２より短く（ｘ１＜ｘ２）設定されている。
【００２９】
従って、本実施形態の電磁リレー２０は、図３に示すように、励磁時は電磁力の増大に伴い第１動作接点ａ１がＯＮした後で第２動作接点ａ２がＯＮし、非励磁時は逆に電磁力の減少に伴い第２動作接点ａ２がＯＦＦした後で第１動作接点ａ１がＯＦＦする。ここで、第１動作接点ａ１が非常時に負荷給電回路１４を遮断するための非常用遮断スイッチの機能を有し、第２動作接点ａ２が通常時に負荷給電回路１４の電流を遮断するための常用遮断スイッチの機能を有する。
【００３０】
次に第１実施形態の回路の動作を説明する。
負荷への給電開始時、電磁リレー２０の第１及び第２動作接点ａ１，ａ２が正常にＯＦＦ状態にあれば、その第１及び第２復帰接点ｂ１，ｂ２はＯＮ状態にあり、電源電圧ＶCCがリレー制御回路１０の自己保持回路１１のトリガ端子Ｔに入力する。この状態で、負荷駆動信号ＩＮがホールド端子Ｈに入力すると自己保持回路１１から交流出力が発生し、リレー駆動回路６の交流増幅回路１２Ａ、トランス１２Ｂ及び整流回路１２Ｃを介して電磁リレー２０が励磁される。これにより、第１動作接点ａ１がＯＮし、その後、第２動作接点ａ２がＯＮして負荷給電回路１４が閉路して負荷に給電される。第１動作接点ａ１がＯＮした時点でその復帰接点ｂ１はＯＦＦになるが、自己保持回路１１の自己保持機能によって自己保持回路１１の出力が継続し負荷への通電は継続する。
【００３１】
負荷駆動信号ＩＮが停止すると、自己保持回路１１の出力が停止して電磁リレー２０が非励磁となる。これにより、第２動作接点ａ２が先にＯＦＦして負荷の給電が停止し、その後、第１動作接点ａ１がＯＦＦする。第１及び第２動作接点ａ１，ａ２が正常にＯＦＦすれば、第１及び第２復帰接点ｂ１，ｂ２がＯＮとなり、第１及び第２動作接点ａ１，ａ２のＯＦＦ確認信号が自己保持回路１１のトリガ端子Ｔに入力し、次の負荷給電動作に備える。
【００３２】
第２動作接点ａ２に溶着故障が生じた場合、負荷駆動信号ＩＮの停止で第１動作接点ａ１がＯＦＦして負荷の給電は停止できる。そして、次の給電動作時には、第２復帰接点ｂ２がＯＮせず、リレーのＯＦＦ確認信号が発生しないので、リレー制御回路１０からリレー駆動信号が生成されず負荷への給電は行われない。
【００３３】
かかる構成によれば、従来のように、オフ・ディレー回路やオン・ディレー回路等を用いる必要がなくリレー制御回路の構成を簡素化できる。また、トランス結合により交流信号を利用して電磁リレー２０を駆動する構成としているので、フェールセーフな信号処理となり、安全性が低下することはない。
【００３４】
図４は、本発明の第２実施形態の構成図である。
図４において、本実施形態の負荷駆動回路は、第１実施形態で説明した構造を有する２個の電磁リレー２０Ａ，２０Ｂの動作接点ａ１Ａ，ａ２Ａとａ１Ｂ，ａ２Ｂを負荷給電回路１４に直列に介装する。また、電磁リレー２０Ａ，２０Ｂの各復帰接点ｂ１Ａ，ｂ２Ａとｂ１Ｂ，ｂ２Ｂも、電源電圧ＶCC端子とリレー制御回路３０の自己保持回路３１のトリガ端子Ｔとの間に直列に接続する。そして、本実施形態のリレー制御回路３０は、図１に示す自己保持回路を備えた出力制御回路３１と、自己保持回路の出力に基づく出力制御回路３１の出力により電磁リレー２０Ａを駆動する半導体スイッチ回路３２と、同じく出力制御回路３１の出力に基づいて電磁リレー２０Ｂを駆動する半導体スイッチ回路３３とを備える構成である。
【００３５】
図５に、前記各半導体スイッチ回路３２，３３の一例を示す。尚、各半導体スイッチ回路３２，３３は同一構成である。
図５において、電源電圧ＶCC端子とＧＮＤ端子との間に、ヒューズＦ、抵抗Ｒ１，Ｒ２及びＮＰＮトランジスタＱ１が順次直列接続する。前記抵抗Ｒ１，Ｒ２とＮＰＮトランジスタＱ１の直列回路に対して並列に、ＰＮＰトランジスタＱ２とＮＰＮトランジスタＱ３の直列回路が接続する。抵抗Ｒ１とＲ２の中間点を前記トランジスタＱ２のベースに接続し、トランジスタＱ１のコレクタ端子をトランジスタＱ３のベースに接続する。トランジスタＱ２とＱ３の互いのコレクタ端子間に抵抗を介してコンデンサＣが接続する。そして、トランジスタＱ３に並列に、半導体スイッチ回路３２では電磁リレー２０Ａが、半導体スイッチ回路３３では電磁リレー２０Ｂが接続する。ここで、トランジスタＱ２がリレー通電用半導体スイッチの機能を有し、トランジスタＱ３がリレー短絡用半導体スイッチの機能を有する。
【００３６】
かかる半導体スイッチ回路３２，３３では、トランジスタＱ１のベースに、図５に示すようなパルス波形の入力信号が入力すると、トランジスタＱ１がＯＮし、トランジスタＱ２がＯＮ、トランジスタＱ３がＯＦＦとなって、電磁リレーが励磁される。入力信号がＯＮからＯＦＦになると、トランジスタＱ１がＯＦＦし、トランジスタＱ２がＯＦＦ、トランジスタＱ３がＯＮとなって、電磁リレーは非励磁となる。前記入力信号のＯＦＦ時間は、電磁リレー２０Ａ，２０Ｂの動作接点ａ１Ａ，ａ２Ａとａ１Ｂ，ａ２ＢがＯＮ状態を維持できるように十分短く設定される。
【００３７】
かかる半導体スイッチ回路３２，３３によれば、トランジスタＱ２に短絡（ＯＮ側）故障を生じると、入力信号がＯＦＦした時にトランジスタＱ３がＯＮし、電源電圧端子とＧＮＤ端子間が短絡されて過電流が流れることにより、ヒューズＦが溶断し、半導体スイッチ回路の出力を停止する。仮にヒューズＦが溶断しない場合でも、トランジスタＱ２の短絡故障時には図５のＶ１点に交流信号が発生するので、コンデンサＣによる交流結合を介してその交流信号を整流して出力を取り出すことで、トランジスタＱ２の短絡故障を検出することが可能である。前記コンデンサＣが回路故障検出機能の役割を果たす。トランジスタＱ２に断線（ＯＦＦ側）故障が生じると、故障検出用のコンデンサＣの充電時定数が長くなって、その交流出力信号の振幅が低下する。
【００３８】
次に動作を説明する。
電磁リレー２０Ａ，２０Ｂの正常時には、負荷駆動信号ＩＮの入力による自己保持回路の出力に基づいて、出力制御回路３１から図５に示すような間欠的にＯＦＦとなるパルス波形の入力信号が発生する。この入力信号により各半導体スイッチ回路３２，３３からリレー駆動信号がそれぞれ発生して各電磁リレー２０Ａ，２０Ｂが駆動される。この場合、各電磁リレー２０Ａ，２０Ｂの第１動作接点a １Ａ，a １ＢがＯＮし、その後、第２動作接点a ２Ａ，a ２ＢがＯＮして負荷給電回路１４に負荷電流が流れる。負荷駆動信号ＩＮが停止すれば、第２動作接点a ２Ａ，a ２ＢがＯＦＦして負荷の給電が停止し、その後、第１動作接点a １Ａ，a １ＢがＯＦＦする。
【００３９】
かかる構成によれば、半導体スイッチ回路３２，３３のどちらか一方に出力のＯＮ故障（出力が発生し続ける故障）が発生しても、負荷駆動信号ＩＮが停止すれば、正常側の半導体スイッチ回路により電磁リレーが駆動されて負荷の給電を停止できる。即ち、２つの電磁リレー２０Ａ，２０Ｂで直列２重系を構成して冗長構成としている。これにより、トランス結合を利用することなく半導体スイッチ回路を用いても安全性を確保でき、負荷駆動回路の小型化が容易となる。
【００４０】
ただし、図５の半導体スイッチ回路の構成では、トランジスタＱ１に短絡故障が生じると、入力信号の有無に関係なくトランジスタＱ２のＯＮ状態及びトランジスタＱ３のＯＦＦ状態が継続して、リレー駆動信号の遮断能力が喪失し、電磁リレーが励磁され続けてしまう。従って、半導体スイッチ回路３２，３３の両方にトランジスタＱ１の短絡故障が生じた場合、負荷の給電を遮断できなくなる。
【００４１】
図６は、半導体スイッチ回路の別の構成例を示す。尚、図５と同一要素には同一符号を付してある。
図６において、抵抗Ｒ３とトランジスタＱ１のコレクタとの間とトランジスタＱ２のベースとの間に、コンデンサＣ１，Ｃ２とダイオードＤ１，Ｄ２からなる倍電圧整流回路を設け、倍電圧整流回路の出力端Ｖ２（ダイオードＤ２とコンデンサＣ２の接続点）をトランジスタＱ２のベースに接続する。トランジスタＱ２は、出力端Ｖ２の電圧が電源電圧ＶCCより大きい時ＯＦＦし、電源電圧ＶCC以下の時ＯＮする。また、出力端Ｖ２の出力電圧を分圧する抵抗Ｒ４，Ｒ５を設け、この分圧点をトランジスタＱ３のベースに接続する。前記抵抗Ｒ４，Ｒ５は、出力端Ｖ２の出力電圧が電源電圧ＶCCより高い時にトランジスタＱ３がＯＮし、電源電圧ＶCC以下の時にトランジスタＱ３がＯＦＦするよう抵抗値を設定する。電磁リレー２０Ａ，２０ＢはトランジスタＱ２に並列接続され、トランジスタＱ３に直列接続する。従って、この半導体スイッチ回路３２′，３３′では、トランジスタＱ２がリレー短絡用半導体スイッチの機能を有し、トランジスタＱ３がリレー通電用半導体スイッチの機能を有する。
【００４２】
この半導体スイッチ回路３２′，３３′は、図６に示すように、間欠的にＯＦＦとなる高周波の信号を入力信号に使用する。この入力信号と出力端Ｖ２の出力電圧との関係を図７に示す。
【００４３】
かかる構成では、高周波信号がＯＮの期間は、電源電圧ＶCCより高い倍電圧整流出力が出力端Ｖ２に発生する。この時、トランジスタＱ２がＯＦＦ、トランジスタＱ３がＯＮとなり、電磁リレー２０Ａ，２０Ｂは励磁される。高周波信号がＯＦＦの期間は、出力端Ｖ２の電圧は電源電圧ＶCC以下となって、トランジスタＱ２がＯＮ、トランジスタＱ３がＯＦＦとなって、電磁リレー２０Ａ，２０Ｂは非励磁となる。
【００４４】
この半導体スイッチ回路３２′，３３′の構成によれば、トランジスタＱ１に短絡（ＯＮ側）故障が生じると、出力端Ｖ２には電源電圧ＶCCより高い電位は発生し得ない。従って、トランジスタＱ３はＯＮせず電磁リレー２０Ａ，２０Ｂは非励磁となるので、図５の半導体スイッチ回路３２，３３のようにトランジスタＱ１に短絡（ＯＮ側）故障でリレー駆動信号が発生し続けるという問題を解消できる。
【００４５】
尚、図６の回路構成では、トランジスタＱ２に断線（ＯＦＦ側）故障を生じると、回路故障検出用のコンデンサＣに充電された電荷は、電磁リレー２０Ａ，２０Ｂを介して放電されることになるので、その交流出力信号の振幅が低下する。
【００４６】
ところで、図５及び図６の半導体スイッチ回路の構成は、リレー通電用半導体スイッチ（図５ではトランジスタＱ２、図６ではトランジスタＱ３）とリレー短絡用半導体スイッチ（図５ではトランジスタＱ３、図６ではトランジスタＱ２）を設け、リレー通電用半導体スイッチに短絡故障が生じた場合、リレー短絡用半導体スイッチがＯＮすることによりヒューズＦを溶断し、電磁リレーを非励磁とする構成としている。リレー短絡用半導体スイッチの断線（ＯＦＦ側）故障は、この機能の喪失を意味し、リレー短絡用半導体スイッチにＯＦＦ側故障が生じている状況で、リレー通電用半導体スイッチに短絡（ＯＮ側）故障を生じると電磁リレーが励磁され続け負荷の給電を停止できなくなる。このため、リレー短絡用半導体スイッチのＯＦＦ側故障の検出は極めて重要である。
【００４７】
図８は、リレー短絡用半導体スイッチのＯＦＦ側故障の検出を一層確実にした半導体スイッチ回路の構成例を示す。尚、図５及び図６と同一要素には同一符号を付してある。
【００４８】
図８において、この半導体スイッチ回路３２”，３３”は、４つのトランジスタＱ２，Ｑ２′，Ｑ３，Ｑ３′でブリッジ回路を構成している。トランジスタＱ２とＱ３′の互いのコレクタ接続点とトランジスタＱ３とＱ２′の互いのエミッタ接続点との間にダイオードＤと電磁リレー２０Ａ（又は２０Ｂ）の直列回路を接続する。また、この直列回路に、抵抗とフォトカプラＰＣの直列回路を並列接続する。
【００４９】
トランジスタＱ２とＱ２′がＯＮして図中矢印の向きに電流が流れる時、電磁リレーが励磁され、トランジスタＱ３とＱ３′がＯＮして図中の矢印と逆向きに電流が流れる時、フォトカプラＰＣの投光素子がＯＮして受光素子から出力が発生する。従って、トランジスタＱ２，Ｑ２′がリレー通電用半導体スイッチの機能を有し、トランジスタＱ３，Ｑ３′がリレー短絡用半導体スイッチの機能を有する。そして、トランジスタＱ２，Ｑ２′とトランジスタＱ３，Ｑ３′は互いに相補の関係でＯＮ／ＯＦＦする。このトランジスタＱ２，Ｑ２′，Ｑ３，Ｑ３′をＯＮ／ＯＦＦ動作させるスイッチング回路４０としては、本実施形態では図５の一点鎖線で囲んだ回路を用いるが、図６の一点鎖線で囲んだ回路を用いることも可能である。
【００５０】
尚、ダイオードＤが短絡しても図２の可動絶縁板２１が図２の矢印方向と反対に移動するか或いは移動できず動作接点は閉じない構成としている。
この半導体スイッチ回路３２”，３３”では、図５に示すパルス波形の入力信号が入力すると、入力信号のＯＮ期間ではトランジスタＱ２，Ｑ２′がＯＮし、トランジスタＱ３，Ｑ３′がＯＦＦし、電磁リレーは励磁される。入力信号のＯＦＦ期間ではトランジスタＱ２，Ｑ２′がＯＦＦし、トランジスタＱ３，Ｑ３′はＯＮし、電磁リレーは非励磁となり、この時、フォトカプラＰＣに電流が流れて受光素子から出力が発生する。この動作が、入力信号のＯＮ／ＯＦＦに同期して繰り返される。
【００５１】
かかる構成の半導体スイッチ回路３２”，３３”が正常に動作する場合、フォトカプラＰＣの受光側には交流信号が生成される。リレー通電用のトランジスタＱ２，Ｑ２′のいずれか一方にＯＮ側故障を生じると、リレー短絡用のトランジスタＱ３，Ｑ３′が正常であれば、ヒューズＦが溶断する（尚、この時フォトカプラＰＣには交流信号が発生しない）。リレー短絡用のトランジスタＱ３，Ｑ３′のいずれか一方にＯＦＦ側故障を生じると、フォトカプラＰＣは通電されず交流信号が発生しない。従って、この半導体スイッチ回路３２”，３３”の回路故障は、フォトカプラＰＣの出力を監視することで確実に検出できる。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１の発明によれば、オフ・ディレー回路やオン・ディレー回路が不要となり、負荷駆動回路の構成を簡素化できる。
【００５３】
また、電磁リレーの動作接点がＯＦＦ状態にない時には電磁リレーの駆動信号は発生しないので、高い安全性を有する。
【００５４】
更に、トランス結合を用いてリレー駆動信号を生成しているので、フェールセーフな構成となり、高い安全性を有する。
請求項２〜４の発明によれば、電磁リレーにより２重系構成とし、且つトランス結合に代えて半導体スイッチ回路を用いたので、安全性を確保でき、且つ、負荷駆動回路の小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の回路構成図
【図２】同上実施形態の電磁リレーの接点構造を示す図
【図３】図２の電磁リレーのＯＮ／ＯＦＦ特性図
【図４】本発明の第２実施形態の回路構成図
【図５】図４の半導体スイッチ回路の構成図
【図６】半導体スイッチ回路の別の構成図
【図７】図６の入力信号と倍電圧整流回路の出力電圧の関係を示す図
【図８】半導体スイッチ回路の更に別の構成図
【図９】従来の負荷駆動回路の一例を示す回路構成図
【図１０】図９のリレー動作接点動作のタイムチャート
【図１１】従来の負荷駆動回路の別の例を示す回路構成図
【図１２】図１１のリレー動作接点動作のタイムチャート
【符号の説明】
１０，３０ リレー制御回路
１１ 自己保持回路
１２ リレー駆動回路
２０，２０Ａ，２０Ｂ 電磁リレー
３１ 出力制御回路
３２，３２′，３２”，３３，３３′，３３” 半導体スイッチ回路
ａ１，ａ２，ａ１Ａ，ａ２Ａ，ａ１Ｂ，ａ２Ｂ 動作接点
ｂ１，ｂ２，ｂ１Ａ，ｂ２Ａ，ｂ１Ｂ，ｂ２Ｂ 復帰接点
Claims (4)
- 負荷給電回路に、常用遮断スイッチと非常用遮断スイッチを直列に介装し、負荷駆動信号の入力で、非常用遮断スイッチ、常用遮断スイッチの順でＯＮ駆動して負荷に給電し、前記負荷駆動信号の停止で、常用遮断スイッチ、非常用遮断スイッチの順でＯＦＦ駆動して負荷の給電を停止する構成の負荷駆動回路において、
励磁時にそれぞれＯＮする第１動作接点と第２動作接点と、前記第１動作接点と相補の関係でＯＮ／ＯＦＦ動作する第１復帰接点と、前記第２動作接点と相補の関係でＯＮ／ＯＦＦ動作する第２復帰接点とを備え、第１動作接点の可動接点と固定接点間距離が第２動作接点の可動接点と固定接点間距離より短い構成の電磁リレーを設け、該電磁リレーの前記第１動作接点を前記非常用遮断スイッチとし、前記第２動作接点を前記常用遮断スイッチとすると共に、前記第１及び第２復帰接点が共にＯＮしていることを条件に、前記負荷駆動信号の入力でリレー駆動信号を出力するリレー制御手段を備え、前記リレー制御手段を、トリガ端子に前記第１及び第２復帰接点が共にＯＮした時にトリガ信号が入力し、ホールド端子に前記負荷駆動信号が入力して出力を発生し当該出力でトリガ信号を自己保持する自己保持回路と、該自己保持回路の出力に基づいてトランス結合を介して前記リレー駆動信号を発生するリレー駆動回路とを備える構成としたことを特徴とする負荷駆動回路。 - 負荷給電回路に、常用遮断スイッチと非常用遮断スイッチを直列に介装し、負荷駆動信号の入力で、非常用遮断スイッチ、常用遮断スイッチの順でＯＮ駆動して負荷に給電し、前記負荷駆動信号の停止で、常用遮断スイッチ、非常用遮断スイッチの順でＯＦＦ駆動して負荷の給電を停止する構成の負荷駆動回路において、
励磁時にそれぞれＯＮする第１動作接点と第２動作接点と、前記第１動作接点と相補の関係でＯＮ／ＯＦＦ動作する第１復帰接点と、前記第２動作接点と相補の関係でＯＮ／ＯＦＦ動作する第２復帰接点とを備え、第１動作接点の可動接点と固定接点間距離が第２動作接点の可動接点と固定接点間距離より短い構成の電磁リレーを複数個設け、これら電磁リレーの各第１動作接点を前記非常用遮断スイッチとし、各第２動作接点を前記常用遮断スイッチとすると共に、前記第１及び第２復帰接点が共にＯＮしていることを条件に、前記負荷駆動信号の入力でリレー駆動信号を出力するリレー制御手段を備え、前記リレー制御手段を、トリガ端子に前記第１及び第２復帰接点が共にＯＮした時にトリガ信号が入力し、ホールド端子に前記負荷駆動信号が入力して出力を発生し当該出力でトリガ信号を自己保持する自己保持回路と、前記複数個の電磁リレー毎に設けられ、前記自己保持回路の出力に基づいて対応する各電磁リレーにリレー駆動信号をそれぞれ出力する複数個の半導体スイッチ回路とを備える構成としたことを特徴とする負荷駆動回路。 - 前記各半導体スイッチ回路は、前記電磁リレーと直列接続され前記自己保持回路の出力に基づいて入力するパルス信号のＯＮ／ＯＦＦによりＯＮ／ＯＦＦ動作して負荷電磁リレーへの電流の通電／遮断を制御するリレー通電用半導体スイッチと、電磁リレーに対して並列接続し前記パルス信号のＯＮ／ＯＦＦによりＯＮ／ＯＦＦ動作して電磁リレーの両端を短絡するリレー短絡用半導体スイッチとを備え、前記リレー通電用半導体スイッチがＯＮ故障した時に過電流の発生で電磁リレーの通電経路が遮断されると共に、回路故障時に故障検出出力を発生する故障検出機能を有する構成である請求項２に記載の負荷駆動回路。
- 前記各半導体スイッチ回路は、前記リレー通電用半導体スイッチ及びリレー短絡用半導体スイッチをそれぞれ２個備え、一方のリレー通電用及びリレー短絡用の各半導体スイッチの直列回路と、他方のリレー通電用及びリレー短絡用の各半導体スイッチの直列回路とを、電源端子と接地端子との間に互いに並列接続してブリッジ回路を構成し、各直列回路の半導体スイッチ間を接続して電磁リレーを介装し、該電磁リレーに並列接続して回路故障検出用のフォトカプラを設ける構成とした請求項３に記載の負荷駆動回路。
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