(57)【要約】【課題】過酷な使用環境下においてもフォトカップラを使用できるようにする。【解決手段】機器に組み込まれて信号の送受信に使用されている状態のフォトカップラ６における入力側の発光素子を発光駆動したときのフォトカップラ６の出力側における信号レベルに基づいて、フォトカップラ６の動作状態を検出する動作状態検出手段ＡＣを設けて、フォトカップラ用動作状態監視装置を構成する。フォトカップラを過酷な使用環境下で使用した場合、フォトカップラの主な劣化状態として、フォトカップラの入力側に備えられる発光素子に光出力の低下に伴って、前記発光素子を発光駆動したときのフォトカップラの出力信号レベルの変化するという現象が現れるが、前記発光素子を発光駆動したときのフォトカップラの出力信号を監視することで、フォトカップラの劣化状態を的確に把握することができる。【選択図】　　　　図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
機器に組み込まれて信号の送受信に使用されているフォトカップラにおける入力側の発光素子を発光駆動したときの前記フォトカップラの出力側における信号レベルに基づいて、前記フォトカップラの動作状態を検出する動作状態検出手段が設けられたフォトカップラ用動作状態監視装置。
【請求項２】
前記動作状態検出手段が、前記信号レベルと異常判別用設定信号レベルとの大小比較により、前記フォトカップラの動作状態が異常か否かを判別するように構成され、
前記異常判別用信号レベルが、前記フォトカップラの次段の回路の入力側におけるデジタル信号のＨｉｇｈレベル識別用のしきい値と電源電圧レベルとの間、あるいは、前記フォトカップラの次段の回路の入力側におけるデジタル信号のＬｏｗレベル識別用のしきい値とグラウンド電圧レベルとの間に設定されている請求項１記載のフォトカップラ用動作状態監視装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フォトカップラ用動作状態監視装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
フォトカップラは、入力側に発光素子（一般に発光ダイオード）が備えられ、その発光素子から出射した光を出力側に備えられたフォトトランジスタあるいはフォトダイオード等にて受光して信号出力する素子であり、入力側と出力側とを電気的に絶縁したい場合によく用いられる。
通常の使用環境下では、フォトカップラは十分な信頼性を有しており、従来、フォトカップラの動作状態を監視するような装置はなかった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、高温環境下，多湿環境下あるいは高振動レベル環境下等の過酷な使用環境下においては、フォトカップラに通常の使用環境下におけるような高い信頼性を有することを保証することは困難であり、かといってフォトカップラの代用としてトランス等を用いて信号絶縁回路を構成するのは回路コストが上昇してしまう不都合がある。
本発明は、かかる実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、過酷な使用環境下においてもフォトカップラを使用できるようにする点にある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記請求項１記載の構成を備えることにより、機器に組み込まれて信号の送受信に使用されているフォトカップラにおける入力側の発光素子を発光駆動したときの前記フォトカップラの出力側における信号レベルに基づいて、前記フォトカップラの動作状態を検出する動作状態検出手段が設けられて、フォトカップラ用動作状態監視装置が構成されている。
すなわち、フォトカップラを例えば自動車の電気回路に用いた場合等の高温環境下，多湿環境下及び高振動レベルという過酷な使用環境下で使用した場合、フォトカップラの主な劣化状態として、変換効率（電流伝達率）が低下する症状が起こる。これは、フォトカップラの入力側に備えられる発光素子の光出力の低下に伴って、前記発光素子を発光駆動したときのフォトカップラの出力信号レベルが変化するという現象となって現れる。
そこで、前記発光素子を発光駆動したときのフォトカップラの受光側の信号レベルを監視することで、フォトカップラの劣化状態を的確に把握することができ、フォトカップラの劣化の進行程度に応じて、必要な措置をとることができる。
もって、過酷な使用環境下においてもフォトカップラを使用することが可能となった。
【０００５】
又、上記請求項２記載の構成を備えることにより、前記動作状態検出手段が、前記信号レベルと異常判別用設定信号レベルとの大小比較により、前記フォトカップラの動作状態が異常か否かを判別するように構成され、前記異常判別用信号レベルが、前記フォトカップラの次段の回路の入力側におけるデジタル信号のＨｉｇｈレベル識別用のしきい値と電源電圧レベルとの間、あるいは、前記フォトカップラの次段の回路の入力側におけるデジタル信号のＬｏｗレベル識別用のしきい値とグラウンド電圧レベルとの間に設定されている。ここで言うグラウンド電圧レベルとは、信号の基準となる電位であり、図３乃至図６に「ＧＮＤ」で示される電圧のレベルである。
すなわち、動作状態検出手段がフォトカップラの異常の有無を判別するための前記異常判別用設定信号レベルが、フォトカップラの次段の回路の入力側におけるデジタル信号のＨｉｇｈレベル識別用のしきい値と電源電圧レベルとの間、あるいは、フォトカップラの次段の回路の入力側におけるデジタル信号のＬｏｗレベル識別用のしきい値とグラウンド電圧レベルとの間に設定されていることで、フォトカップラの次段の回路がフォトカップラの出力信号を未だ正常に検知している状態で、フォトカップラの劣化が進行している過程にあることを確実に識別することができ、的確にフォトカップラの出力信号が異常となった場合の措置をとることができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のフォトカップラ用動作状態監視装置の実施の形態を図面に基づいて説明する。
〔第１実施形態〕
本第１形態では、図１及び図２に概略的に示すように、自動車１に、電動モータ２ａを動力源とする動力装置２と、その電動モータ２ａの電力源としてインバータ２ｂに電力を供給するリチウムイオン電池３と、自動車１の動作を制御する制御ユニット４と、制御ユニット４やその他の電装品に電力を供給する汎用バッテリ５とが搭載され、このリチウムイオン電池３の動作を監視する電池監視装置３ａと制御ユニット４内のコントローラ４ａとの間のデジタル信号による通信ラインに備えられたフォトカップラ６の動作状態を監視する場合を例示する。このフォトカップラ６は、リチウムイオン電池３を有する駆動系の電気回路と、汎用バッテリ５を有する電装系の電気回路とを電気的に絶縁するために自動車１に組み込まれて使用されている。
【０００７】
フォトカップラ６の動作状態を監視するフォトカップラ用動作状態監視装置ＰＭは、制御ユニット４内に備えられ、図３に示すように、コンパレータ１１と、コンパレータ１１の反転入力に比較用の基準電圧を供給する基準電源１２と、コンパレータ１１の出力に基づいてフォトカップラ６の動作状態が異常か否かを判別する異常判別部１３とを主要部として構成されている。異常判別部１３は、演算処理装置及びメモリが備えられて所定の処理を実行するが、処理が比較的単純であるため論理回路にて構成しても良い。
【０００８】
図３に示すように、本第１実施形態では、入力側に発光素子ＰＥとして発光ダイオード６ａを備え、出力側にフォトトランジスタ６ｂを備えたフォトカップラ６を例示しており、フォトトランジスタ６ｂのコレクタをコントローラ４ａ側の電源電圧（Ｖｃｃ）に接続すると共に、フォトトランジスタ６ｂのエミッタをプルダウン用の抵抗１４を介してコントローラ４ａ側のグラウンドに接続している。
フォトトランジスタ６ｂのエミッタ端子は、フォトカップラ６の出力としてコントローラ４ａに入力されると共に、コンパレータ１１の非反転入力及び異常判別部１３に入力されている。
【０００９】
フォトカップラ６は、図３に概略的に示すようにデジタル信号パルスが入力されたときに発光ダイオード６ａが発光駆動されて、フォトトランジスタ６ｂが「ＯＮ」状態となる。従って、フォトカップラ６の正常時には、図４（ａ）に示すようなパルス波形がフォトカップラ６から出力され、出力信号のＨｉｇｈレベル時が発光ダイオード６ａの発光駆動時に対応する。
図４では、フォトカップラ６の次段すなわちコントローラ４ａの入力段のＨｉｇｈレベル識別用のしきい値を「Ｖｔｈ　Ｈ」として表示し、コントローラ４ａの入力段のＬｏｗレベル識別用のしきい値を「Ｖｔｈ　Ｌ」として表示している。
【００１０】
単一電源（Ｖｃｃ）で動作するコンパレータ１１は、上述のように非反転入力にフォトトランジスタ６ｂのエミッタ端子の出力信号が入力され、一方、反転入力には基準電圧源１５の出力電圧「Ｖｒｅｆ」が入力されている。
従って、コンパレータ１１は、フォトカップラ６の出力電圧が「Ｖｒｅｆ」より大であるとき、Ｈｉｇｈレベルの信号を出力し、フォトカップラ６の出力電圧が「Ｖｒｅｆ」以下であるときＬｏｗレベルの信号を出力する。
【００１１】
フォトカップラ６が、図４（ａ）に示す正常なパルス信号を出力している状態では、図４（ａ）において「次段検出レベル」として示すようにコントローラ４ａの入力段の検出レベルが変化し、これは、同図において「コンパレータ出力」として示すものと一致している。尚、図４（ａ）においてＨｉｇｈレベルは「Ｈ」として表記し、Ｌｏｗレベルは「Ｌ」として表記しており、以下の説明においても同様である。
【００１２】
上述のような正常な状態に対して、自動車１のような電子デバイスにとって過酷な使用環境下では、比較的早い時期にフォトカップラ６の劣化が始まり、図４（ｂ）に示すフォトカップラ６の出力信号のように、発光ダイオード６ａを発光駆動したときの出力信号レベル（Ｈｉｇｈレベル）が徐々に低下する場合がある。
このような場合、コンパレータ１１の反転入力の「Ｖｒｅｆ」は、前記「Ｖｔｈ　Ｈ」と電源電圧レベル（Ｖｃｃ）との間、より具体的には、両者の略中央に設定してあるので、図４（ｂ）に示すように、発光ダイオード６ａを発光駆動したときの出力信号レベル（Ｈｉｇｈレベル）が徐々に低下して、前記「Ｖｔｈ　Ｈ」より大であり且つ前記「Ｖｒｅｆ」以下の範囲にまで低下すると、コントローラ４ａの入力段は正常時の図４（ａ）の状態と変わらずに入力信号のレベルを適正に検知するが、コンパレータ１１の出力は、フォトカップラ６の出力がＨｉｇｈレベルへ立ち上がっているときも、Ｌｏｗレベルを維持する。
【００１３】
コンパレータ１１の出力信号が入力される異常判別部１３には、フォトカップラ６の出力信号も入力されており、この入力段の前記「Ｖｔｈ　Ｈ」レベル及び前記「Ｖｔｈ　Ｌ」レベルはコントローラ４ａの入力段と一致させてあり、コントローラ４ａの入力段と同等にＨｉｇｈレベルとＬｏｗレベルの識別を行える。
従って、異常判別部１３は、図４（ｂ）に示すような、「次段検出レベル」と「コンパレータ出力」とが一致しない状態に遷移すると、フォトカップラ６の動作状態が異常となったと判別し、コントローラ４ａに対してその旨を送信する。
すなわち、コンパレータ１１に入力されている前記「Ｖｒｅｆ」を、フォトカップラ６の動作状態が異常か否かを判別するための異常判別用設定信号レベルとして、その異常判別用信号レベルとの大小比較によりフォトカップラ６の動作状態が異常か否かを判別している。
【００１４】
以上から、コンパレータ１１及び異常判別部１３は、フォトカップラ６における入力側の発光素子ＰＥを発光駆動したときのフォトカップラ６の出力側における信号レベルに基づいて、前記フォトカップラ６の動作状態を検出する動作状態検出手段ＡＣとして機能する。
コントローラ４ａは、この信号を受信することによって、電池監視装置３ａから適正に信号を受信している状態で、フォトカップラ６の劣化が進行していることを検知でき、必要な措置をとるべき旨のモニタ表示等を行う。
ちなみに、図４（ｂ）の状態から、フォトカップラ６を交換する等の必要な措置をとらずに放置したとすると、図４（ｃ）に示すように、発光ダイオード６ａを発光駆動したときのフォトカップラ６の出力信号レベル（Ｈｉｇｈレベル）が更に低下して、電池監視装置３ａの出力信号がコントローラ４ａに正確に伝達されない状態となってしまう。
【００１５】
〔第２実施形態〕
本第２実施形態は、フォトカップラ用動作状態監視装置ＰＭの回路構成が上記第１実施形態と異なる。
すなわち、本第２実施形態におけるフォトカップラ用動作状態監視装置ＰＭは、図５に示すように、フォトカップラ６の出力側の接続状態が上記第１実施形態と異なり、具体的には、フォトトランジスタ６ｂのコレクタをプルアップ用の抵抗２１を介してコントローラ４ａ側の電源電圧（Ｖｃｃ）に接続すると共に、フォトトランジスタ６ｂのエミッタをコントローラ４ａ側のグラウンドに接続している。
これに伴って、各部の動作が若干上記第１実施形態と異なるが、上記相違点以外の回路構成は上記第１実施形態と共通であるので、上記第１実施形態と同一の機能を有する部材には、同一の符号を付して説明する。
【００１６】
本第２実施形態では、フォトトランジスタ６ｂのコレクタ端子の信号が、フォトカップラ６の出力としてコントローラ４ａに入力されると共に、コンパレータ１１の非反転入力及び異常判別部１３に入力されている。
フォトカップラ６は、上記第１実施形態と同様に図５に概略的に示すようにデジタル信号パルスが入力されたときに発光ダイオード６ａが発光駆動されて、フォトトランジスタ６ｂが「ＯＮ」状態となる。従って、フォトカップラ６の正常時には、図６（ａ）に示すようなパルス波形がフォトカップラ６から出力され、出力信号のＬｏｗレベル時が発光ダイオード６ａの発光駆動時に対応する。
図６では、図４と同様に、フォトカップラ６の次段すなわちコントローラ４ａの入力段のＨｉｇｈレベル識別用のしきい値を「Ｖｔｈ　Ｈ」として表示し、コントローラ４ａの入力段のＬｏｗレベル識別用のしきい値を「Ｖｔｈ　Ｌ」として表示している。
【００１７】
単一電源（Ｖｃｃ）で動作するコンパレータ１１は、上述のように非反転入力にフォトトランジスタ６ｂのコレクタ端子の出力信号が入力され、一方、反転入力には、上記第１実施形態と同様に、前記異常判別用設定信号レベルとして基準電圧源１５の出力電圧「Ｖｒｅｆ」が入力されている。
従って、コンパレータ１１は、フォトカップラ６の出力電圧が「Ｖｒｅｆ」より大であるとき、Ｈｉｇｈレベルの信号を出力し、フォトカップラ６の出力電圧が「Ｖｒｅｆ」以下であるときＬｏｗレベルの信号を出力するのであるが、後述するように、この「Ｖｒｅｆ」の電圧値が上記第１実施形態と異なる。
【００１８】
フォトカップラ６が、図６（ａ）に示す正常なパルス信号を出力している状態では、上記第１実施形態と同様に、「次段検出レベル」（コントローラ４ａの入力段の検出レベル）と「コンパレータ出力」とが一致している。
上述のような正常な状態から、フォトカップラ６の劣化が始まると、図６（ｂ）に示すフォトカップラ６の出力信号のように、発光ダイオード６ａを発光駆動したときの出力信号レベル（Ｌｏｗレベル）が徐々に上昇する。
コンパレータ１１の反転入力の「Ｖｒｅｆ」は、前記「Ｖｔｈ　Ｌ」とグラウンド電圧レベル（ＧＮＤ）との間、より具体的には、両者の略中央に設定してあるので、図６（ｂ）に示すように、発光ダイオード６ａを発光駆動したときの出力信号レベル（Ｌｏｗレベル）が徐々に上昇して、前記「Ｖｔｈ　Ｌ」より小であり且つ前記「Ｖｒｅｆ」より大となる範囲にまで低下すると、コントローラ４ａの入力段は正常時の図６（ａ）の状態と変わらずに入力信号のレベルを適正に検知するが、コンパレータ１１の出力は、フォトカップラ６の出力がＬｏｗレベルへ立ち下がっているときも、Ｈｉｇｈレベルを維持する。
【００１９】
異常判別部１３は、上記第１実施形態と同様に、図６（ｂ）に示すような、「次段検出レベル」と「コンパレータ出力」とが一致しない状態に遷移すると、フォトカップラ６の動作状態が異常となったと判別し、コントローラ４ａに対してその旨を送信する。
従って、上記第１実施形態と同様に、コンパレータ１１及び異常判別部１３が動作状態検出手段ＡＣとして機能する。
コントローラ４ａは、この信号を受信することによって、電池監視装置３ａから適正に信号を受信している状態で、フォトカップラ６の劣化が進行して動作状態が異常となっていることを検知でき、必要な措置をとるべき旨のモニタ表示等を行う。
ちなみに、図６（ｂ）の状態から、フォトカップラ６を交換する等の必要な措置をとらずに放置したとすると、図６（ｃ）に示すように、発光ダイオード６ａを発光駆動したときのフォトカップラ６の出力信号レベル（Ｌｏｗレベル）が更に上昇して、電池監視装置３ａの出力信号がコントローラ４ａに正確に伝達されない状態となる。
【００２０】
〔その他の実施形態〕
以下、本発明のその他の実施形態を列記する。
（１）上記第１実施形態及び第２実施形態では、コンパレータ１１に入力する基準電源１２の電圧レベル（「Ｖｒｅｆ」）を固定設定する場合を例示しているが、上記第１実施形態に対しては、デジタル信号のＨｉｇｈレベル識別用のしきい値（「Ｖｔｈ　Ｈ」）と電源電圧レベル（Ｖｃｃ）との間で、上記第２実施形態に対しては、デジタル信号のＬｏｗレベル識別用のしきい値（「Ｖｔｈ　Ｌ」）とグラウンド電圧レベル（ＧＮＤ）との間で、夫々、電圧値を設定変更可能に構成して、フォトカップラ６の異常判別のレベル調整を可能としても良い。
【００２１】
（２）上記第１実施形態及び第２実施形態では、異常判別部１３は、コンパレータ１１の出力信号とフォトカップラ６の出力信号とが一致するか否かによって、フォトカップラ６が異常か否かを判別する場合を例示しているが、電池監視装置３ａから定期的に信号が送られてくる等によって、電池監視装置３ａから信号が送られてくるタイミングが予めわかっているときは、電池監視装置３ａからの信号の受信によってコンパレータ１１の出力信号がＨｉｇｈレベルとＬｏｗレベルとの間で遷移すべきタイミングであるのに、いずれかのレベルを維持しているときにフォトカップラ６が異常であると判別する等、具体的な判別手法は種々変更可能である。
【００２２】
（３）上記第１実施形態及び第２実施形態では、コンパレータ１１に入力する基準電源１２の電圧レベル（「Ｖｒｅｆ」）を１段階に固定設定する場合を例示しているが、夫々異なる「Ｖｒｅｆ」が入力されたコンパレータを複数個並列に接続し、各コンパレータの出力信号によって、フォトカップラの劣化状態を複数段階に検出できるようにしても良い。
すなわち、フォトカップラの動作状態を、単純に異常か否かと判断するのではなく、劣化状態の程度として検出するようにしても良い。
【００２３】
（４）上記第１実施形態及び第２実施形態では、コンパレータ１１に入力する基準電源１２の電圧レベル（「Ｖｒｅｆ」）との比較によって、フォトカップラ６の動作状態を検出する場合を例示しているが、例えば、フォトカップラ６の入力側の発光素子ＰＥを発光駆動したときのフォトカップラ６の出力レベルの変化率を継続的に監視し、その変化率が大きくなったときに、フォトカップラ６が使用可能範囲外に至る劣化モードに入ったものと判断するようにしても良い。
【００２４】
（５）上記第１実施形態及び第２実施形態では、発光素子ＰＥとして発光ダイオード６ａを備え、出力側にフォトトランジスタ６ｂを備える形式のフォトカップラ６を例示しているが、例えば、出力側にフォトダイオードを備える形式等の種々の形式のフォトカップラに本発明を適用できる。
（６）上記第１実施形態及び第２実施形態では、自動車１における電池監視装置３ａとコントローラ４ａとの間の通信にフォトカップラ６を用いて、そのフォトカップラ６の動作状態を検出する場合を例示しているが、種々の過酷環境下で使用されるフォトカップラの動作状態の検出に本発明を適用できる。
【００２５】
【発明の効果】
上記請求項１記載の構成によれば、フォトカップラを例えば自動車の電気回路に用いた場合等の高温環境下，多湿環境下及び高振動レベルという過酷な使用環境下で使用した場合、フォトカップラの主な劣化状態として、フォトカップラの入力側に備えられる発光素子の光出力の低下に伴って、前記発光素子を発光駆動したときのフォトカップラの出力信号レベルが変化するという現象が現れるが、前記発光素子を発光駆動したときのフォトカップラの出力信号を監視することで、フォトカップラの劣化状態を的確に把握することができ、フォトカップラの劣化の進行程度に応じて、必要な措置をとることができる。
もって、過酷な使用環境下においてもフォトカップラを使用することが可能となった。
【００２６】
又、上記請求項２記載の構成によれば、動作状態検出手段がフォトカップラの異常の有無を判別するための前記異常判別用設定信号レベルが、フォトカップラの次段の回路の入力側におけるデジタル信号のＨｉｇｈレベル識別用のしきい値と電源電圧レベルとの間、あるいは、フォトカップラの次段の回路の入力側におけるデジタル信号のＬｏｗレベル識別用のしきい値とグラウンド電圧レベルとの間に設定されていることで、フォトカップラの次段の回路がフォトカップラの出力信号を未だ正常に検知している状態で、フォトカップラの劣化が進行している過程にあることを確実に識別することができ、的確にフォトカップラの出力信号が異常となった場合の措置をとることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる要部ブロック構成図
【図２】本発明の第１実施形態にかかる概略部品配置図
【図３】本発明の第１実施形態にかかる要部回路図
【図４】本発明の第１実施形態にかかる信号説明図
【図５】本発明の第２実施形態にかかる要部回路図
【図６】本発明の第２実施形態にかかる信号説明図
【符号の説明】
ＡＣ　動作状態検出手段
ＰＥ　発光素子
６　　フォトカップラ
【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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