JPH1039924A - フェールセーフ型直流デジタル出力回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 出力素子の故障を自己判断して故障の拡大等
を未然に防げるフェールセーフ型直流デジタル出力回路
を提供する。 【解決手段】 負荷を直接駆動する負荷駆動用の直流電
源と負荷との間に、互いに直列接続される出力素子１，
２とを設け、各出力素子１，２を駆動制御する第１、第
２の出力制御回路10，20を設け、出力素子２の駆動出力
を瞬間的に瞬断する瞬断パルス発生回路28を設ける。第
１、第２の比較回路12，22で、第１、第２のモニタ入力
回路16，26により検出される出力素子１，２の出力状態
を出力素子１，２の駆動出力と比較し、両者が異なると
きには出力素子１，２の故障を自己判断すると共に、第
２の比較回路22は瞬断パルス発生回路28のパルス出力を
出力素子２の出力状態と直接比較して、両者が異なると
きには出力素子２の短絡故障を自己判断する。出力素子
１，２のいずれかの故障が判断されたときには両素子の
駆動出力をオフする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば鉄道用信号
機を制御する制御用回路として用いられるフェールセー
フ型直流デジタル出力回路に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば鉄道用信号機の制御を行うに際
し、制御の誤動作が列車の衝突や脱線といった人命を脅
かす事故の直接原因となり得るために、鉄道用信号機の
制御回路には以下のフェールセーフ性を保つことが望ま
れている。

【０００３】このフェールセーフとは、まず第１に、回
路や素子の誤動作により、誤ったオン出力を行わないこ
とである。これは信号機がオフ出力で列車停止を示す赤
信号を点灯し、オン出力で列車の進行を許可する青信号
を点灯する様に回路構成されていることに起因し、オフ
出力は安全側出力（”０”出力）、オン出力は危険側出
力（”１”出力）と定義される。

【０００４】第２に、回路や素子の故障や誤動作を拡大
させないことである。これは、例えば２入力のアンド出
力回路において、１入力の故障や誤動作では危険側出力
（”１”出力）とはならないが、他方の入力が危険
側（”１”側）に固定された様な故障を起こしている
と、１入力の故障や誤動作で、結局、危険側出力が誤出
力されてしまい第１のフェールセーフ性が保てなくなる
ためである。

【０００５】ところで、信号制御では転てつ機のように
方向性を持った機器の制御を行うことが多く、電流の向
きで方向制御が可能な直流制御が主流であるが、常時変
化のない直流電圧のオン／オフ制御では、前記第２のフ
ェールセーフ性である、回路や素子の故障の拡大防止が
困難である。そこで、鉄道用信号機の制御用回路とし
て、従来は、例えば図５に示すように、原理的に故障の
発生や拡大が危険側出力となりにくい交流入力による整
流出力（直流出力）回路が採用されている。

【０００６】同図に示す回路において、図中、３は結合
トランスであり、交流入力された一次側の交流電圧か
ら、この結合トランス３によって規定の直流出力電圧相
当の二次側交流電圧を得る。そして、ブリッジ整流回路
４によって前記二次側交流電圧を整流し、全波整流波形
（脈流）を得て、平滑用コンデンサ６によって脈流から
直流出力を得るようになっている。

【０００７】このような回路においては、結合トランス
３が断線したり、ブリッジ整流回路４が無出力となった
り、平滑用コンデンサ６が短絡したりした場合には、交
流入力の有無によらず、いずれも直流出力が得られない
ために、このようなときには危険側出力とはなり得な
い。

【０００８】また、ブリッジ整流回路４が半波出力とな
った場合には規定の直流電圧出力が得られず、交流出力
となった場合には事実上直流負荷は動作できないため
に、いずれも危険側出力とはならないのである。

【０００９】なお、近年、信号機器制御も用地難や低コ
スト化要求により、従来のリレーシーケンス回路制御か
らＣＰＵを搭載したデジタル制御装置による制御へ移行
しつつあり、デジタル制御装置において図５に示したよ
うなフェールセーフ出力回路を使用する場合、交流信号
を得るために設けられる発振回路において、発振回路故
障（無制御発振状態）によるフェールセーフ性確保が困
難なことより、交流信号の代わりに、図６に示す波形を
デジタル処理で出力し、疑似交流信号として図５の回路
の入力信号に使用している。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の方式は、いずれも出力端子に接続される負荷を駆動す
るのに十分な電力を交流電力あるいは疑似交流電力で入
力端子に対し供給するものであるため、余計な発熱を伴
う上、電力供給に十分に耐える電力用素子で回路を構成
せざるを得ず、回路自体の小型化や低コスト化が困難で
あった。

【００１１】また、デジタル制御装置で上記の回路を使
用する場合、電源電圧や電源容量、ノイズ発生の問題か
ら制御装置用直流電源で直接疑似交流電力を出力するこ
とはなく、装置電源とは別の負荷駆動用の直流電源を用
意しその直流電圧をオン／オフして疑似交流波形を得る
のが普通である。しかし、このように、負荷駆動用の直
流電源を装置電源とは別に用意して疑似交流波形を得る
方法を用いると、図７に示すような負荷駆動用の直流電
源で直接負荷を駆動する場合に比べてはるかに効率が悪
く、装置全体の小型化や省電力化への障害となってい
た。

【００１２】そこで、図７に示すような負荷駆動用の直
流電源を有する直流電圧のオン／オフ制御回路を鉄道用
信号機器の制御回路として採用すれば、上記の問題を解
消し、装置全体の小型化や省電力化、低コスト化を図る
ことができると考えられるが、この直流電圧のオン／オ
フ制御回路は、前記の如く、フェールセーフ性の確保が
困難であり、そのまま信号機器制御回路として用いるこ
とはできなかった。

【００１３】以下、図７に示す各回路の回路構成および
各回路においてフェールセーフ性の確保が困難である状
況を説明する。まず、同図の（ａ）および（ｃ）は、直
流電圧のオン／オフ制御回路として最も簡単な回路であ
り、いずれも負荷駆動用の直流電源と負荷との間にリレ
ーやＭＯＳ−ＦＥＴ等の出力素子１を１つ設けた単回路
である。（ａ）に示すものは、出力素子１の故障を検出
するための検出回路として、電圧検出を行う電圧検出回
路41を用いており、電圧検出回路41を負荷と並列に接続
している。（ｃ）においては、検出回路によって出力素
子１の電流を検出するために電流検出回路51を用いてお
り、電流検出回路51を負荷と直列に接続したものであ
る。このような単回路においては、出力素子１が短絡故
障や短絡誤動作した場合には、危険側出力となり、前記
第１のフェールセーフ性すら確保できない。

【００１４】また、同図の（ｂ）に示す回路は、直流電
源と負荷との間に出力素子１，２を直列接続して形成し
た出力素子直列多重式の回路であり、各出力素子１，２
の故障を検出するための電圧検出回路41，42をそれぞれ
負荷と並列に接続している。この回路は、同図の（ａ）
に示した回路を直列に二重に接続して形成され、アンド
出力回路と成している。この回路における各部の動作状
態や検出状態をまとめて表１に示す。

【００１５】

【表１】

【００１６】なお、表１において、出力データとは、出
力素子１および出力素子２に対する出力制御値であり、
オンで危険側出力、オフで安全側出力である。また、出
力素子１および出力素子２の素子状態とは、出力素子
１，２の誤動作を含む動作状態や故障状態（故障モー
ド）を示す。また、電圧検出回路41，42の欄は、各電圧
検出回路41，42で検出した直流電圧を示しており、オン
で電圧あり、オフで電圧なしである。出力素子故障検出
の欄は、各出力素子１，２の故障検出の可否を示してお
り、同表に示すように、原理的に、前記出力データ（出
力制御値）と各出力素子１，２に対応した電圧検出回路
41，42の値が一致していれば検出不可、異なっていれば
検出可能である。負荷の欄は、負荷の動作状態を示し、
オンでオン動作、すなわち、危険側動作である。

【００１７】この表１から明らかなように、図７の
（ｂ）に示した回路において、第１のフェールセーフ性
が満たされないもの、すなわち、出力素子１，２の故障
や誤動作で危険側出力（負荷オン）となるのは、表１の
ｂ１，ｄ１，ｅ１，ｅ０である。このうち真に危険な出
力となるのは、出力データと負荷の動作状態の異なるｅ
０である。ｅ０の状態は、出力素子１および出力素子２
が両方とも短絡故障を起こしている状態であるが、通常
の部品の故障率を考えると両方の素子が同時に短絡故障
となるのは極めて希であり、片方の素子の短絡故障を放
置した結果、両素子の短絡故障に至るのが普通である。
逆に言えば、片方の素子の短絡故障を確実に検出し、そ
の時点で適切な処置を施せば故障の拡大（すなわち両方
の素子の短絡故障）を未然に防ぐことができ、第２のフ
ェールセーフ性を満足し、結果的に回路全体で第１のフ
ェールセーフ性を確保することができる。

【００１８】そこで、表１において、真に危険な状態で
あるｅ０に至るｂ１，ｄ１，ｅ１の状態のうち、出力素
子２の短絡故障の検出の可否に着目すると、表１から明
らかなように、図７の（ｂ）に示した回路においては、
出力素子２の短絡故障が検出できず、第２のフェールセ
ーフ性が確保できないために、結果的に回路全体で第１
のフェールセーフ性をも確保することができない。

【００１９】本発明は上記従来の課題を解決するために
なされたものであり、その目的は、例えば鉄道用信号機
器等に用いられる出力素子直列多重式の直流デジタル出
力回路において、少なくても１つの出力素子の故障を確
実に自己判断することが可能であり、それにより、出力
素子の誤動作に伴う危険を未然に防ぐことができる小型
でコストが安いフェールセーフ型直流デジタル出力回路
を提供することにある。

【００２０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は次のような構成により課題を解決するため
の手段としている。すなわち、本第１の発明は、負荷を
直接駆動する負荷駆動用の直流電源と負荷との間に、互
いに直列接続される複数の出力素子を備えた出力素子直
列多重式の直流デジタル出力回路であって、前記複数の
各出力素子にはそれぞれ各出力素子を駆動制御する出力
制御回路が設けられており、該出力制御回路によって制
御される各出力素子の駆動出力と対応する出力素子の出
力状態とをそれぞれ比較して各出力素子の駆動出力と対
応する出力素子の出力状態とが異なるときにはこの出力
素子は故障であると自己判断する比較判断回路が設けら
れ、該比較判断回路により出力素子故障が判断されたと
きには前記各出力制御回路によって全ての出力素子の駆
動出力をオフする構成として構成されている。

【００２１】また、少なくとも１つの出力素子の駆動出
力を瞬間的に短時間変化させる瞬間パルス変化発生回路
が設けられており、比較判断回路はこの瞬間パルス変化
発生回路の出力と対応する出力素子の出力状態とを比較
して該出力素子に駆動出力変化に伴う出力状態変化が生
じないときにはこの出力素子は故障であると自己判断す
ることも本第１の発明の特徴的な構成とされている。

【００２２】さらに、本第２の発明は、負荷を直接駆動
する負荷駆動用の直流電源と負荷との間に、互いに直列
接続される複数の出力素子を備えた出力素子直列多重式
の直流デジタル出力回路であって、前記複数の各出力素
子にはそれぞれ各出力素子を駆動制御する出力制御回路
が設けられており、少なくとも１つの出力素子の駆動出
力を瞬間的に短時間変化させる瞬間パルス変化発生回路
が設けられており、この瞬間パルス変化発生回路の出力
と対応する出力素子の出力状態とを比較して該出力素子
に駆動出力変化に伴う出力状態変化が生じないときには
この出力素子は故障であると自己判断する比較判断回路
が設けられ、該比較判断回路により出力素子故障が判断
されたときには前記各出力制御回路によって全ての出力
素子の駆動出力をオフする構成としたことを特徴として
構成されている。

【００２３】さらに、前記直流電源から各出力素子側に
供給される電源電圧が予め定められた基準電圧値に達し
ているか否かを検出し、直流電源電圧が前記基準電圧値
よりも低下したときには自己判断阻止信号を比較判断回
路に加える電源電圧監視回路を設けたことも本第１、第
２の発明の特徴的な構成とされている。

【００２４】上記構成の本第１の発明において、比較判
断回路により、各出力制御回路によって制御される各出
力素子の駆動出力と対応する出力素子の出力状態とがそ
れぞれ比較され、各出力素子の駆動出力と対応する出力
素子の出力状態とが異なるときには、この出力素子は故
障と自己判断される。そして、この自己判断によって出
力素子の故障が判断されたときには、各出力素子の駆動
制御用の各出力回路により、全ての出力素子の出力がオ
フされる。

【００２５】また、上記構成の本第１の発明において瞬
間パルス変化発生回路が設けられているものや、上記構
成の本第２の発明においては、瞬間パルス変化発生回路
によって少なくとも１つの出力素子の駆動出力が瞬間的
に短時間変化させられ、この駆動出力変化が生じている
にもかかわらず対応する出力素子にこの駆動出力変化に
伴う出力状態変化が生じないときには、比較判断回路に
よってこの出力素子は故障であると自己判断される。そ
して、この自己判断によって出力素子の短絡故障が判断
されたときには、各出力素子の駆動制御用の各出力回路
により、直ちに全ての出力素子の出力がオフされる。

【００２６】このように、本発明においては、比較判断
回路によって、各出力素子の駆動出力と対応する出力素
子の出力状態との比較により各出力素子の故障の有無が
自己判断されたり、瞬間パルス変化発生回路を設けたも
のにおいては、必要に応じて瞬間パルス発生回路によっ
て出力素子の駆動出力を瞬間的に変化させ、比較判断回
路によって出力素子の短絡故障の有無を自己判断できる
ために、少なくとも、１つの出力素子の故障や誤動作を
そのままの状態にしておいたがために、別の出力素子の
故障が生じたときに危険側出力となってしまうといった
状態を防ぐことが可能となる。

【００２７】そして、この出力素子の故障が判断された
ときに全ての出力素子の出力をオフすることにより、回
路の出力が直ちに危険側出力となることは防止され、１
つの出力素子の故障によって回路の故障の拡大や誤動作
の再発が生じることを未然に防止できるようになり、回
路のフェールセーフ性が確保される。しかも、本発明に
おいては、負荷を直接駆動する直流電源に接続されて用
いられるために、回路の小型化低コスト化が図れ、上記
課題が解決される。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。なお、本実施形態例の説明におい
て、従来例と同一名称部分には同一符号を付し、その重
複説明は省略する。図１には、本発明に係るフェールセ
ーフ型直流デジタル出力回路の一実施形態例が負荷を省
略した状態で示されている。同図に示す回路も、図７の
（ｂ）に示した従来例の直流電圧のオン／オフ制御回路
と同様に、負荷を直接駆動する負荷駆動用の直流電源と
負荷との間に、互いに直列接続される出力素子１，２を
有して構成される出力素子直列多重式（直列二重式）の
制御回路であり、この回路は、電源入力端子によって直
流電源に接続され、出力端子によって負荷と接続され
る。なお、本実施形態例では、各出力素子１，２は、リ
レーやフォトＭＯＳ−ＦＥＴ、フォトカプラ等の絶縁出
力素子により形成されている。

【００２９】また、本実施形態例の直流デジタル出力回
路は、電源電圧監視回路30、第１のモニタ入力回路16、
第２のモニタ入力回路26、第１の出力制御回路（ラッ
チ）10、第１の比較回路12、第２の出力制御回路（ラッ
チ）20、第２の比較回路22、瞬断パルス発生回路28、逆
流防止用ダイオード34、平滑用コンデンサ32を有して構
成されている。

【００３０】第１の出力制御回路10は、出力素子１を駆
動制御する回路であり、例えば図２の（ａ）に示すよう
な、内部出力Ａからのオン／オフを示す極めて短いパル
ス信号を受けて、このパルス信号から図２の（ｄ）に示
すような状態信号に変換し、出力素子１に対して制御出
力を行う。なお、内部出力Ａは、例えばＣＰＵを搭載し
たデジタル制御装置における出力素子１に対する内部制
御出力である。

【００３１】第２の出力制御回路20は、出力素子２を駆
動制御する回路であり、第２の出力制御回路20には、前
記内部出力Ａと同様の内部出力Ｂからのパルス信号と、
瞬断パルス発生回路28からの瞬断パルス信号が加えられ
るようになっている。

【００３２】瞬断パルス発生回路28は、出力素子２の駆
動出力を瞬間的に短時間変化させる瞬間パルス変化発生
回路として機能するものであり、例えば図２の（ｂ）に
示すような瞬断パルスを発生させ、第２の出力制御回路
20および第２の比較回路22に加える。

【００３３】第２の出力回路20は、前記内部出力Ｂから
のパルス信号を、前記第１の出力制御回路10と同様に状
態信号に変換して出力素子２に加えるが、第２の出力制
御回路20には、内部出力Ｂからのパルス信号と共に、瞬
断パルス発生回路28からの瞬断パルスが加えられるため
に、瞬断パルスがオフとなると、内部出力Ｂがオン状態
のときであっても図２の（ｆ）に示すように、第２の出
力制御回路20の出力もオフとなり、この出力は出力素子
２に加えられる。

【００３４】第１のモニタ入力回路16は、出力素子１の
出力電圧波形（例えば図２の（ｅ））をモニタ入力し、
負荷の動作可否状態（例えば図３の（ｉ））として検出
する回路であり、出力素子１と出力素子２との間の電圧
を検出して第１の比較回路12に加える。

【００３５】第２のモニタ入力回路26は、出力素子２の
出力電圧波形（例えば図２の（ｇ））をモニタ入力し、
負荷の動作可否状態（例えば図３の（ｊ））として検出
する回路であり、出力素子２と逆流防止用ダイオード34
との間の電圧を検出して第２の比較回路22に加える。

【００３６】第１の比較回路12は、出力制御回路10によ
って制御される出力素子１の駆動出力と、対応する出力
素子１の出力状態とを比較し、この比較結果に基づいて
出力素子１の故障の有無の自己判断を行う比較判断回路
として機能するものである。第１の比較回路12は、出力
素子１に対する第１の出力制御回路10からの制御出力
（例えば図２の（ｄ））と、第１のモニタ入力回路16の
出力、すなわち、負荷の動作可否状態（例えば図３の
（ｉ））とを比較し、第１のモニタ入力回路16の出力と
第１の出力制御回路10の出力とが一致しないときには、
出力素子１の故障と自己判断し、この判断結果を第１の
出力制御回路10および第２の出力制御回路20に加える。
なお、一旦故障と判断された判断結果は、比較回路が機
能する限り自己保持される。

【００３７】第２の比較回路22も比較判断回路として機
能するものである。第２の比較回路22は、第１の比較回
路12と同様に、第２の出力制御回路20によって制御され
る出力素子２の駆動出力（出力素子２に対する制御出
力）と、対応する出力素子２の出力状態とを比較し、こ
の比較結果に基づいて出力素子２の故障の有無の自己判
断を行うと共に、前記瞬断パルス発生回路28の出力と出
力素子２の出力状態とを比較し、出力素子２に瞬断パル
ス発生に伴う出力状態変化が生じないときには出力素子
２の短絡故障と判断する。すなわち、第２の比較回路22
は、第２の出力制御回路20の出力（例えば図２の
（ｆ））と第２のモニタ入力回路26の出力（例えば図３
の（ｊ））とを比較し、この電圧波形が前記制御出力波
形と一致しないときには出力素子２は異常と判断する動
作を行うが、特に、瞬断パルスがオフのときに、第２の
モニタ入力回路26によって負荷動作オフが検出されてい
なければ、出力素子２に対する制御出力状態とは無関係
に、直ちに出力素子２の短絡故障を検出するように構成
されている。これらの比較結果はいずれも第１および第
２の出力制御回路10，20に加えられる。また、一旦故障
と判断されたこれらの比較結果は、比較回路が機能する
限り自己保持される。

【００３８】第１の出力制御回路10は、前記第１の比較
回路12から出力素子１の故障判断結果が加えられたとき
と、第２の比較回路22から出力素子２の故障判断結果が
加えられたときにはいずれも、内部出力Ａがオンであっ
ても出力素子１の出力をオフに制御する。また、第２の
出力制御回路20も、第１の比較回路12から出力素子１の
故障判断結果が加えられたときと、第２の比較回路22か
ら出力素子２の故障判断結果が加えられたときには、い
ずれも、内部出力Ｂがオンであっても出力素子２の出力
をオフにするようになっている。

【００３９】電源電圧監視回路30は、負荷駆動用の直流
電源から各出力素子１，２側に供給される電源電圧を常
時検出し、この電源電圧が予め定められた基準電圧値に
達しているか否かを検出し、直流電源電圧値が前記基準
電圧値よりも低下したときには、自己判断阻止信号を第
１、第２の各比較回路12，22に加える。この自己判断阻
止信号は、例えば、第１、第２の各比較回路12，22によ
る前記自己判断動作を行わないようにする信号であって
もよいし、自己判断動作を行った後に、その判断結果を
第１、第２の各出力制御回路10，20に加えることを行わ
ないようにする信号であってもよい。

【００４０】本実施形態例では、このように、電源電圧
監視回路30を設けて常時直流電源電圧の監視を行うこと
により、直流電源が停電したときや電圧が基準電圧以下
に低下したときに、第１、第２のモニタ入力回路16，26
がいずれも負荷動作オフを検出し、このとき、第１の出
力制御回路10からの駆動出力や第２の出力制御回路20か
らの駆動出力がオンとなっていて、第１の比較回路12や
第２の比較回路22が出力素子１や出力素子２の異常を検
出してしまうといった誤動作を防止するようにしてい
る。

【００４１】平滑用コンデンサ32は、電圧平滑用のコン
デンサである。図１に示す回路において、出力データが
オンのときに、出力素子１，２が正常であれば、負荷の
動作状態もオンとなるが、この状態のときに、瞬断パル
ス発生回路28の瞬断パルスが発生すると、このパルス発
生時間幅の分だけオフ出力となり、この間負荷もオフ動
作となり、出力素子１，２が正常なのにもかかわらず、
出力データと負荷動作状態とが異なってしまう可能性が
ある。これを防止するために、オン出力時に瞬断時間を
十分補うだけのエネルギーを平滑用コンデンサ32に充電
しておき、瞬断パルス発生回路28による瞬断時にはこの
平滑用コンデンサ32に貯蔵したエネルギーを放電するこ
とにより、瞬断パルス発生回路28による瞬断パルス発生
時にも負荷動作のオンを補償するようになっている。

【００４２】逆流防止用ダイオード34は、平滑用コンデ
ンサ32の放電が第２のモニタ入力回路26側へ逆流するこ
とを防止するものであり、第２のモニタ入力回路26と平
滑用コンデンサ32との間に直列に接続されている。この
逆流防止用ダイオード34を設けて、平滑用コンデンサ32
からの放電を第２のモニタ入力回路26側へ逆流しないよ
うにすることで、第２のモニタ入力回路26が、平滑用コ
ンデンサ32からの放電によって負荷動作状態をオン動作
と誤検出し、結果的に第２の比較回路22によって出力素
子２の異常を誤検出しないようにしている。

【００４３】本実施形態例は以上のように構成されてお
り、図２，３に示す各構成要素の出力電圧波形に基づい
て、出力素子１および２が共に正常のときの回路動作に
ついて説明する。まず、直流電源からの電源電圧が出力
素子１，２に供給され、出力素子１は第１の出力制御回
路10によって駆動制御され、出力素子２は第２の出力制
御回路20によって駆動制御される。また、このとき、電
源電圧監視回路30によって、前記直流電源の電源電圧監
視が常時行われ、例えば、直流電源の停電が生じたとき
には、図３の（ｈ）に示すように、電源電圧監視回路に
よって停電が検出され、この電源電圧監視回路30の出力
が、第１、第２の比較回路12，22に加えられる。

【００４４】第１の出力制御回路10は、前記の如く、内
部出力Ａから加えられる、図２の（ａ）に示すようなパ
ルス信号から、同図の（ｄ）に示すような状態信号に変
換して出力素子１に加える。そうすると、出力素子１の
出力は、同図の（ｅ）に示すように、第１の出力制御回
路10の出力がオンとなったときにＮｖとなるが、直流電
源から供給される電源電圧が前記停電により０となる
と、０ｖとなり、停電から復帰すると再びＮｖとなり、
第１の出力制御回路10がオフとなったときにはまた０ｖ
となる。

【００４５】一方、第２の出力制御回路22は、前記の如
く、内部出力Ｂと共に、瞬断パルス発生回路28からの、
同図の（ｂ）に示すような瞬断パルスが共に加えられて
おり、同図の（ｆ）に示すような、瞬間的にオフとなる
期間（図のｓ３′）を有する波形となるために、出力素
子２は、この第２の出力制御回路20の出力を受けて、同
図の（ｇ）に示す波形の電圧を出力する。すなわち、第
２の出力制御回路20がオンとなったときに絶縁出力素子
２の出力がＮｖとなり、直流電源の停電によって出力素
子２の出力電圧も０ｖとなり、停電が復帰したときに再
びＮｖとなる。そして、出力素子１の出力とは異なり、
瞬断パルスが発生したとき（図のｓ３）に対応して、出
力素子２の出力も図のｓ３″のところで瞬間的に０ｖと
なる。そして、再び出力素子２の出力はＮｖとなり、第
２の出力制御回路20の出力がオフとなったところで０ｖ
となる。

【００４６】図３の（ｉ），（ｊ）にはそれぞれ、第１
のモニタ入力回路16の出力と第２のモニタ入力回路26の
出力とが示されている。これらの各モニタ入力回路16，
26は、それぞれ出力素子１，２の出力電圧を負荷動作の
可否（オンのときは可、オフのときは否）として検出す
るものであるから、第１のモニタ入力回路16は、出力素
子１の出力が負荷の動作電圧であるＭｖ以上のときには
オンとなり、それ以外のときにはオフとなる。また、第
２のモニタ入力回路26の出力は、出力素子２の出力がＭ
ｖ以上のときにはオンとなり、それ以外のときにはオフ
となる。そして、第１のモニタ入力回路16の出力は第１
の比較回路12に加えられ、第２のモニタ入力回路26の出
力は第２の比較回路22に加えられる。

【００４７】第１の比較回路12は、図２の（ｄ）に示し
た第１の出力制御回路10の出力と、図３の（ｉ）に示し
た第１のモニタ入力回路16の出力とを比較し、この波形
が一致しないときには出力素子１の故障（異常）が生じ
ていると判断するが、本実施形態例においては、電源電
圧監視回路30によって直流電源の電源電圧の監視が常時
行われており、この電源電圧が前記基準電圧以下となっ
たときには第１の比較回路12による自己判断を行わない
ようになっている。

【００４８】そのため、図２の（ｄ）に示した第１の出
力制御回路10の出力と、図３の（ｉ）に示した第１のモ
ニタ入力回路16の出力とを単純に比較すると、両波形が
一致していない領域があるが、この領域は直流電源の停
電によるものであるということが、図３の（ｈ）に示し
た電源電圧監視回路30の出力波形から明らかであるため
に、この停電領域においては第１の出力制御回路10の出
力と第１のモニタ入力回路16の出力との比較による出力
素子１の故障の自己判断は行わず、図３の（ｋ）に示す
ように、出力素子１の正常信号を出力し、第１、第２の
出力制御回路10，20にそれぞれ加える。

【００４９】また、第２の比較回路22は、図２の（ｆ）
に示した第２の出力制御回路20の出力と、図３の（ｊ）
に示した第２のモニタ入力回路26の出力との比較を行
い、それにより、出力素子２の故障の自己判断を行う。
この自己判断においても、前記第１の比較回路12による
出力素子１の故障の自己判断と同様に、電源電圧監視回
路30によって直流電源の停電が検出されている間は第２
の出力制御回路20の出力と第２のモニタ入力回路26の出
力との比較は行わず、それ以外の領域において第２の出
力制御回路20の出力と第２のモニタ入力回路26の出力と
の比較を行い、出力素子２の故障の自己判断を行う。

【００５０】また、第２の比較回路22には、瞬断パルス
発生回路28からの瞬断パルス信号が直接加えられるよう
になっているために、第２の比較回路22はこの瞬断パル
スが発生しているとき( 瞬断パルスがオフのとき、すな
わち、図２の（ｂ）のｓ１，ｓ２，ｓ３に、図３の
（ｊ）に示すように、第２のモニタ入力回路26の出力も
オフとなっていれば、出力素子２は正常であると判断す
るが、瞬断パルスがオフとなっているにもかかわらず、
第２のモニタ入力回路26の出力がオフとなっていないと
きには、第２の出力制御回路20の出力にかかわらず、直
ちに出力素子２の短絡故障と判断する。

【００５１】なお、図２〜３に示す出力波形において
は、図２の（ｂ）に示す瞬断パルスと、図３の（ｊ）に
示す第２のモニタ入力回路26の出力波形とを比較したと
きに、瞬断パルスがオフの状態にもかかわらず、第２の
モニタ入力回路26の出力がオンとなっている状態はな
く、かつ、前記停電のときを除いては、図２の（ｆ）に
示した第２の出力制御回路20の波形と図３の（ｊ）に示
した第２のモニタ入力回路26との出力とが一致するため
に、同図の(l）に示すように、第２の比較回路26から
は、出力素子２が正常であるとという判断結果が第１、
第２の出力制御回路10，20にそれぞれ加えられる。

【００５２】次に、出力素子２の故障発生時の動作につ
いて図４に基づいて説明する。内部出力Ｂからのパルス
信号および、瞬断パルス発生回路28からの瞬断パルス信
号、および直流電源電圧はそれぞれ、図２〜３に示した
状態であるとし、このとき、図４の（ｍ）に示すよう
に、直流電源電圧が停電中に出力素子２の短絡故障が生
じたとする。そうすると、出力素子２には第２の出力制
御回路20からの駆動出力が、図２の（ｆ）に示すように
加えられて、瞬断パルス発生回路28からの瞬断パルス発
生時（図２のｓ３）には駆動出力もオフとなり（同図の
ｓ３′）、当然、出力素子２の出力も０ｖ（同図のｓ
３″）となるはずであるが、前記短絡故障が発生してい
ると、出力素子２の出力は図４の（ｍ）に示すように、
０ｖとはならずにＮｖのままとなる。そして、この出力
素子２の出力を検出する第２のモニタ入力回路26の出力
もオフとはならずにオンのままとなり、この検出結果が
第２の比較回路22に加えられる。

【００５３】第２の比較回路22は、この第２のモニタ入
力回路26の出力を瞬断パルスと比較し、この瞬断パルス
がオフ（図２のｓ３）にもかかわらず、図４の（ｎ）に
示す如く、第２のモニタ入力回路26の出力がオン（負荷
動作オン）となっているために、直ちに出力素子２の短
絡故障を自己判断し、この自己判断結果を第１の出力制
御回路10および第２の出力制御回路20に加える。そうす
ると、第１、第２の出力制御回路10，20では、それぞれ
各出力素子１，２に対してオフ出力し、それにより、出
力素子１，２により回路が切断された状態となり、同図
の（ｎ）に示すように、負荷動作もオフとなる。

【００５４】表２には本実施形態例のフェールセーフ型
直流デジタル出力回路の回路動作状態と出力素子１，２
の故障検出素子をまとめた結果が示されている。なお、
表２において、オンとオフの表示および出力素子故障検
出の可および不可の表示の仕方等は前記表１と同様であ
る。

【００５５】

【表２】

【００５６】この表２から明らかなように、表２のｂ１
およびｅ１の状態のとき、すなわち、出力素子２の短絡
故障が生じており、負荷がオンとなって危険側出力とな
っているときに、出力素子２の故障検出が可となった。
このように、本実施形態例では、表２において、真に危
険な状態ｅ０に至る直前の状態である両出力素子１，２
が短絡故障を起こしているｅ１の状態が検出可能な他、
前記状態に至る出力素子の短絡故障状態を、出力素子１
については表２のｄ０で示すように、また、出力素子２
については表２のｂ１で示すように検出可能である。

【００５７】本実施形態例によれば、上記動作により、
第１、第２の比較回路12，22によって、各出力素子１，
２の故障を自己判断することが可能であり、特に、瞬断
パルス発生回路28によって出力素子２の駆動出力を瞬間
的に短時間瞬断し、駆動出力の瞬断が生じているにもか
かわらず、この駆動出力瞬断に伴って出力素子２の出力
も０ｖとならないときには、出力素子２は短絡故障であ
ると自己判断することにより、出力データがオン（直流
電源電圧が供給されている）の状態で出力素子２が短絡
すると、直ちに出力素子２の短絡故障を自己判断するこ
とができる。

【００５８】そして、出力素子１，２の故障が判断され
たときには出力素子１，２の駆動出力を共にオフとする
ために、出力素子１，２の故障（特に出力素子２の短絡
故障）が生じたままの状態で放置しておき、それによ
り、回路の故障や誤動作を拡大させることはなくフェー
ルセーフな回路を構築することができる。

【００５９】また、本実施形態例によれば、電源電圧監
視回路30を設けて、直流電源から各出力素子１，２側に
供給される電源電圧を監視し、停電等によって電源電圧
が基準電圧値よりも低下したときには、第１、第２の比
較回路12，22による前記自己判断動作を行わないように
したために、停電等が生じているにもかかわらず、直流
電源電圧の状態を無視して第１、第２の出力制御回路1
0，20による各出力素子１，２の駆動出力と各出力素子
１，２の出力状態との比較を行うことによる自己判断動
作の誤動作を防ぐことができる。

【００６０】なお、図７の（ｂ）に示したような従来の
直流出力回路においては、負荷駆動用の直流電源が停電
した場合を考えると、危険側出力とはなり得ないため、
前記第１のフェールセーフ性上は問題ないが、オン出力
時に、出力データと電圧検出回路41，42の検出値が異な
るため、出力素子１，２の故障と誤検出してしまうこと
があったが、本実施形態例では、前記の如く、この誤検
出の問題を解消することができる。

【００６１】さらに、本実施形態例によれば、各出力素
子１，２の出力状態を負荷の動作可否状態として検出す
る第１、第２のモニタ入力回路16を設けて負荷の動作可
否状態を検出するようにしたために、負荷の接続状態に
よらず出力素子１，２の出力状態のモニタが可能にな
り、負荷を接続しない状態での誤検出が防止されるた
め、将来の機器増設用に予備出力回路を予め確保した
り、機器の廃止に伴い不使用となった出力回路を撤去せ
ずそのまま放置したり等自由なシステム運用が可能とな
る。

【００６２】なお、本発明は上記実施形態例に限定され
ることはなく、様々な実施の態様を採り得る。例えば、
上記実施形態例では、瞬断パルス発生回路28は、瞬断パ
ルスを第２の出力制御回路20と第２の比較回路22に加え
て出力素子２の駆動出力の瞬断および第２の比較回路22
による出力素子２の故障の自己判断動作を行うようにし
たが、瞬断パルス発生回路28を第１の出力制御回路10お
よび第１の比較回路12側に設けて瞬断パルスを発生さ
せ、それにより出力素子１の駆動出力を瞬断させるよう
にすれば、直流電源のオン出力中においても出力素子１
の短絡故障の自己判断を第１の比較回路12によって行う
ことができる。

【００６３】また、瞬断パルス発生回路28の代わりに、
出力素子１の駆動出力を瞬間的に短時間オンとする瞬時
オンパルスを発生させる回路を設けて第１の出力制御回
路10および第１の比較回路12に加えるようにすれば、直
流電源のオフ出力中においても、出力素子２の短絡故障
判断（表２のｂ０に該当）を行うことができる。

【００６４】さらに、上記実施形態例のように、第１、
第２の比較回路12，22によって各出力素子１，２の故障
の自己判断を行ったときに、この自己判断結果を第１、
第２の出力制御回路10，20に加えるとき、第１、第２の
比較回路12，22によって出力素子１，２の故障が判断さ
れたときには、同時に、異常信号を装置故障信号として
外部に対して警報出力することもできる。このようにす
ると、入力電源の切断や出力素子直列多重式の回路を備
えた装置の自動切り換えといった自動制御や、装置交換
といった人の手による保守を可能とすることもできる。

【００６５】さらに、上記実施形態例では、直流電源と
負荷との間に互いに直列接続される出力素子を２つの出
力素子１，２としたが、本発明のフェールセーフ型直流
デジタル出力回路に設けられる出力素子の数は特に限定
されるものではなく、３つ以上の出力素子同士を設けて
直流電源と負荷との間に互いに直列接続されるようにし
て回路を構成してもよい。

【００６６】さらに、上記実施形態例では、瞬断パルス
発生回路28を設けて、この瞬断パルス発生回路28によっ
て出力素子２の駆動出力を変化させるようにしたが、瞬
断パルス発生回路28等の、少なくとも１つの出力素子の
駆動出力を瞬間的に短時間変化させる瞬間パルス変化発
生回路は省略することもできる。ただし、瞬断パルス発
生回路28等の瞬間パルス変化発生回路を設けて、例えば
上記実施形態例のように出力素子の短絡故障判断を行え
ば、より一層迅速に、効率的に出力素子の短絡故障を自
己判断することが可能となり、その自己判断後に出力素
子をより迅速にオフ状態として安全側出力にすることが
できる。

【００６７】さらに、上記実施形態例では、第１の比較
回路12によって、第１の出力制御回路10によって制御さ
れる出力素子１の駆動出力と出力素子１の出力状態とを
比較し、第２の比較回路22により、第２の実力制御回路
20によって制御される出力素子２の駆動出力と出力素子
２の出力状態とを比較し、第１、第２の比較回路12，22
によってそれぞれ、各出力素子１，２の駆動出力と出力
素子１，２の出力状態とが異なるときにはその出力素子
は故障であると自己判断するようにしたが、このような
判断は行わずに、瞬断パルス発生回路28等の瞬間パルス
変化発生回路の出力と対応する出力素子の出力状態とを
比較して、出力素子に瞬間パルス変化発生回路の出力に
よる駆動出力変化に伴う出力状態変化が生じないときに
はこの出力素子は短絡故障であると自己判断することだ
けを行うようにしてもよい。

【００６８】さらに、上記実施形態例では、第１、第２
のモニタ入力回路16，26を設けて各出力素子１，２の各
出力状態を電圧値によって検出するようにしたが、出力
素子１，２の出力状態は電流値によって検出するように
してもよい。ただし、各出力素子の出力状態を電圧値に
よって検出すると、負荷を接続しない状態でも誤検出が
防止されるため、各出力素子の出力状態は電圧値によっ
て検出することが望ましい。

【００６９】さらに、これまでの説明は、フェールセー
フ型直流デジタル出力回路を鉄道用信号機器の制御回路
として採用する例について述べたが、本発明のフェール
セーフ型直流デジタル出力回路は、鉄道用以外にも、例
えば自動車におけるエンジン制御、製造装置における動
力制御等の、オフ出力が安全側と定義される様々な制御
分野に広く用いられるものである。

【００７０】さらに、上記実施形態例では、いずれも出
力素子の故障を検出する回路としたが、例えば、出力素
子の駆動出力と対応する出力素子の出力状態とが異なる
ときに、出力素子に故障がないかどうかを確認し、故障
がないときにはモニタ入力回路の故障であると判断する
こともできる。

【００７１】

【発明の効果】本第１の発明によれば、出力制御回路に
よって制御される各出力素子の駆動出力と、対応する出
力素子の出力状態とをそれぞれ比較して、前記駆動出力
と出力素子の出力状態とが異なるときにはこの出力素子
は故障であると自己判断し、出力素子故障が判断された
ときに全ての出力素子の駆動出力を前記各出力制御回路
によってオフする構成としたものであるから、各出力素
子の故障を前記自己判断によって迅速、かつ、確実に検
出することができる。そのため、各出力素子が故障した
状態で放置しておくことによる回路の危険性の拡大や誤
動作の再発を未然に防ぐことができる。

【００７２】また、前記少なくとも１つの出力素子の駆
動出力を瞬間的に短時間変化させる瞬間パルス変化発生
回路が設けられている。本第１の発明や、本第２の発明
によれば、瞬間パルス変化発生回路の出力と対応する出
力素子の出力状態とを直接比較することによって、最も
危険な出力素子短絡故障を極めて迅速に自己判断するこ
とができるために、回路の安全性を極めて高いものとす
ることができる。

【００７３】さらに、前記直流電源から各出力素子側に
供給される電源電圧が予め定められた基準電圧値に達し
ているか否かを検出し、直流電源電圧が前記基準電圧値
よりも低下したときには自己判断阻止信号を比較判断回
路に加える電源電圧監視回路を設けた本発明によれば、
直流電源が停電したとき等に、この停電等によって変化
した出力素子の出力状態を、出力素子の駆動出力や瞬間
パルス変化発生回路の出力と比較することによる出力素
子故障（短絡故障）の誤検出を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るフェールセーフ型直流デジタル出
力回路の一実施形態例を示す構成図である。

【図２】上記実施形態例の回路構成要素の出力状態の一
例を示す説明図である。

【図３】上記実施形態例の回路構成要素の出力状態例を
図２に続いて示す説明図である。

【図４】上記実施形態例における出力素子２の短絡故障
時の動作を示す説明図である。

【図５】従来の交流入力による直流出力回路の一例を示
す説明図である。

【図６】従来の直流制御（パルス信号制御）における疑
似交流波形を示す説明図である。

【図７】従来の直流制御を行う出力素子故障検出回路の
説明図である。

【符号の説明】

１ 第１の出力素子 ２ 第２の出力素子 10 第１の出力制御回路 12 第１の比較回路 16 第１のモニタ入力回路 20 第２の出力制御回路 22 第２の比較回路 26 第２のモニタ入力回路 28 瞬断パルス発生回路 30 電源電圧監視回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０３Ｋ 19/007 Ｈ０３Ｋ 19/007 (72)発明者 牧島 亜紀雄 東京都千代田丸の内一丁目６番５号 東日 本旅客鉄道株式会社内 (72)発明者 小峰 利行 東京都千代田丸の内一丁目６番５号 東日 本旅客鉄道株式会社内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 負荷を直接駆動する負荷駆動用の直流電
   源と負荷との間に、互いに直列接続される複数の出力素
   子を備えた出力素子直列多重式の直流デジタル出力回路
   であって、前記複数の各出力素子にはそれぞれ各出力素
   子を駆動制御する出力制御回路が設けられており、該出
   力制御回路によって制御される各出力素子の駆動出力と
   対応する出力素子の出力状態とをそれぞれ比較して各出
   力素子の駆動出力と対応する出力素子の出力状態とが異
   なるときにはこの出力素子は故障であると自己判断する
   比較判断回路が設けられ、該比較判断回路により出力素
   子故障が判断されたときには前記各出力制御回路によっ
   て全ての出力素子の駆動出力をオフする構成としたこと
   を特徴とするフェールセーフ型直流デジタル出力回路。
2. 【請求項２】 少なくとも１つの出力素子の駆動出力を
   瞬間的に短時間変化させる瞬間パルス変化発生回路が設
   けられており、比較判断回路はこの瞬間パルス変化発生
   回路の出力と対応する出力素子の出力状態とを比較して
   該出力素子に駆動出力変化に伴う出力状態変化が生じな
   いときにはこの出力素子は故障であると自己判断するこ
   とを特徴とする請求項１記載のフェールセーフ型直流デ
   ジタル出力回路。
3. 【請求項３】 負荷を直接駆動する負荷駆動用の直流電
   源と負荷との間に、互いに直列接続される複数の出力素
   子を備えた出力素子直列多重式の直流デジタル出力回路
   であって、前記複数の各出力素子にはそれぞれ各出力素
   子を駆動制御する出力制御回路が設けられており、少な
   くとも１つの出力素子の駆動出力を瞬間的に短時間変化
   させる瞬間パルス変化発生回路が設けられており、この
   瞬間パルス変化発生回路の出力と対応する出力素子の出
   力状態とを比較して該出力素子に駆動出力変化に伴う出
   力状態変化が生じないときにはこの出力素子は故障であ
   ると自己判断する比較判断回路が設けられ該比較判断回
   路により出力素子故障が判断されたときには前記各出力
   制御回路によって全ての出力素子の駆動出力をオフする
   構成としたことを特徴とするフェールセーフ型直流デジ
   タル出力回路。
4. 【請求項４】 直流電源から各出力素子側に供給される
   電源電圧が予め定められた基準電圧値に達しているか否
   かを検出し、直流電源電圧が前記基準電圧値よりも低下
   したときには自己判断阻止信号を比較判断回路に加える
   電源電圧監視回路を設けたことを特徴とする請求項１又
   は請求項２又は請求項３記載のフェールセーフ型直流デ
   ジタル出力回路。