(57)【要約】【課題】半導体素子の組み合わせで非対称性故障特性を実現し、また、スイッチ装置内部にフェールセーフな制御装置を備えることなくスイッチ動作のフェールセーフ性を実現するスイッチ回路を提供することである。【解決手段】スイッチ回路に入力された信号は符号化回路によって符号化され、次に復号化回路によって元の信号に復元される。符号化回路および復号化回路はネットワークを経由して外部から入力された符号化情報と復号化情報によって動作する。スイッチ回路の出力段のフィルタは、元信号の特性をもつ信号のみを通過させるので、符号化と復号化が正常に機能しない限り信号出力は遮断される。【選択図】  図１
2004200734.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号源と制御対象間の信号の伝送を制御するスイッチ回路において、
信号を入力する入力端子と、
ネットワークを介して入力される第１の制御情報を入力する第１の制御情報入力端子と、
ネットワークを介して入力される第２の制御情報を入力する第２の制御情報入力端子と、
前記入力端子から入力された信号を、前記第１の制御情報に基づいて符号化し、符号化信号を出力する符号化回路と、
前記符号化信号を、前記第２の制御情報に基づいて復号化し、復号化信号を出力する復号化回路と、
前記入力端子から入力された信号と異なる特性の信号を遮断するフィルタと、
前記フィルタから出力された信号を出力する出力端子とを有し、
入力された前記第１の制御情報及び前記第２の制御情報のいずれかに異常が発生した場合、または前記符号化回路及び前記復号化回路のいずれかに異常が発生した場合は、前記フィルタは前記フィルタに入力された信号を遮断することを特徴とするスイッチ回路。
【請求項２】
請求項１記載のスイッチ回路において、
前記符号化回路は入力された信号の極性を反転する反転回路であり、
前記復号化回路は入力された前記符号化信号の極性を反転する反転回路であり、
前記フィルタは前記入力端子から入力された信号の周波数近傍以外の周波数成分を遮断するバンドパスフィルタであり、
前記第１の制御情報は疑似ノイズ符号情報であり、
前記第２の制御情報は前記符号化信号を前記復号化回路によって復元可能な疑似ノイズ符号情報であることを特徴とするスイッチ回路。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載のスイッチ回路において、
前記フィルタの遮断特性は、前記第１の制御情報及び前記第２の制御情報の基本クロックを制御することで調整可能であることを特徴とするスイッチ回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は鉄道の列車制御におけるフェールセーフなスイッチ回路に関し、特にネットワークなどによる遠隔制御でのフェールセーフ性を実現するスイッチ回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
鉄道の列車制御では、運行の安全性を確保するためにフェールセーフの考え方に基づいた信号装置を用いている。例えば転轍機制御の場合、列車通過中に転轍機が動作すると脱線をまねくことになるので、仮になんらかの故障が発生した場合でも不正な動作とならない構成となっていなくてはならない。
【０００３】
このようにフェールセーフとは、信号装置を構成する機器になんらかの故障が発生した場合でも、列車を制御する動作は安全側となるようにするというものである。前記の転轍機の場合では故障時には不正に動作しないよう構成され、信号機の場合は停止現示もしくは滅灯するように構成されている。
【０００４】
従来より鉄道の信号装置ではフェールセーフ性を実現するため信号用リレーを用いている。信号用リレーは励磁コイルによって接点が閉じ、コイルに電流が流れない時には機械的なバネの力によって接点が開放される構成となっている。よって制御入力としての励磁コイルへの電流が遮断される場合はバネが開放されるので、コイルに故障があっても同様に接点は開放される。リレー接点が閉じる側の故障として接点溶着の可能性があるが信号用リレーでは溶着が発生しにくいように接点の材質や構造を工夫している。よって接点が閉じる故障は開放する故障に比べ発生確率は極めて低いという、故障の非対称性が実現されている。
【０００５】
鉄道の信号装置では信号用リレーを制御信号伝達のスイッチとして利用し、接点開放側を安全側の制御となるように構成することによって装置全体のフェールセーフ性を保証してきた。
【０００６】
近年では、信号装置の小型化，長寿命化のために、信号用リレーに代えて半導体素子で構成したスイッチでフェールセーフ性を実現する装置が提案されている。例えば特許文献１では、スイッチ素子を直列２段したスイッチング回路を、２系列並列に構成したフェールセーフスイッチ回路が示されている。どのスイッチの単独ＯＮ故障では、不正な出力がでることはなく、また片方の系のスイッチング回路がＯＮ状態の時に他系列のスイッチング回路のスイッチ素子をそれぞれＯＦＦとして、ＯＮ故障となっていないか否かを確認することによって、スイッチ素子のＯＮ故障が潜在することを防止することができる。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１０−３４１１４０号公報（全頁）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
信号用リレーを用いた信号装置では、制御信号を出力する装置と信号機器の間が離れていると、制御情報ごとに装置と機器間のリレー入出力接続する長大なケーブルが必要である。
【０００９】
半導体素子を用いたスイッチング回路の場合では、スイッチ素子を直接制御する制御回路自体がフェールセーフ性を有していなくてはならない。
【００１０】
よって鉄道用信号装置のように広い範囲で信号機器が配置されているシステムでは、それぞれの機器のスイッチング回路をフェールセーフに制御するためには、フェールセーフな制御回路をスイッチング回路毎に設置しなければならない。その制御回路を少数にすると、制御情報ごとに制御信号線を信号機器と結ばねばならなくなり、リレーを用いた場合と同様の接続ケーブルが必要となる。各信号機器と制御回路をネットワークで結合した場合は、接続ケーブルを大幅に削減できるが、制御情報をフェールセーフに通信するには、信号機器ごとにフェールセーフな装置によって、通信のフェールセーフ性を保証しなくてはならない。
【００１１】
ネットワークを経由した制御のフェールセーフ性を保証するためには、通信において、通信遮断・通信情報エラー・通信の固定故障・通信の配送先誤り、といった各種の通信異常にフェールセーフに対処できなくてはいけない。よって信号機器毎にフェールセーフな通信を保証することとスイッチング素子をフェールセーフに制御する構成が要求される。
【００１２】
そこで本発明の目的は、スイッチング素子を直接制御する回路にはフェールセーフ性がなくとも、スイッチングのフェールセーフ性を保証し、ネットワーク経由でのフェールセーフな遠隔制御を実現するスイッチ回路を提供するものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、信号源と制御対象間の信号の伝送を制御するスイッチ回路において、信号を入力する入力端子と、ネットワークを介して入力される第１の制御情報を入力する第１の制御情報入力端子と、ネットワークを介して入力される第２の制御情報を入力する第２の制御情報入力端子と、入力端子から入力された信号を第１の制御情報に基づいて符号化し符号化信号を出力する符号化回路と、符号化信号を第２の制御情報に基づいて復号化し復号化信号を出力する復号化回路と、入力端子から入力された信号と異なる特性の信号を遮断するフィルタと、フィルタから出力された信号を出力する出力端子とを備え、入力された第１の制御情報及び第２の制御情報のいずれかに異常が発生した場合、または符号化回路及び復号化回路のいずれかに異常が発生した場合は、フィルタは入力された信号を遮断する構成とする。
【００１４】
また、符号化回路及び復号化回路は入力された信号の極性を反転する反転回路であり、フィルタは入力端子から入力された信号の周波数近傍以外の周波数成分を遮断するバンドパスフィルタであり、第１の制御情報及び第２の制御情報は疑似ノイズ符号情報である構成とする。
【００１５】
また、フィルタの遮断特性は、第１の制御情報及び第２の制御情報の基本クロックを制御することで調整可能である構成とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図１から図２を参照して本発明のフェールセーフスイッチ回路の実施形態の詳細を説明する。
【００１７】
はじめに構成を説明する。図１は本発明のフェールセーフスイッチの使用状態における接続状態を示した構成ブロック図である。図１においてフェールセーフなスイッチ回路１は、信号源２からの信号が入力される入力端子ＩＮ，信号を外部の制御対象６に出力する出力端子ＯＵＴ，信号の伝送と遮断を制御するための第１の制御情報である制御情報一，第２の制御情報である制御情報二を入力する第１の制御情報入力端子Ｃ１，第２の制御情報入力端子Ｃ２を有している。
【００１８】
図１において、制御情報一として符号化情報が第１の制御情報入力端子Ｃ１に入力され、符号化回路３は符号化情報によって入力された信号を符号化し、符号化信号を出力する。この符号化信号は復号化回路４に入力され、その復号化回路は、第２の制御情報入力端子Ｃ２に入力された制御情報二である復号化情報により信号を復号化し、復号化信号を出力する。この時、復号化情報は、Ｃ１に入力された符号化情報によって符号化された信号を復元することができる復号化情報であるならば、復号化回路は信号を復号し、フィルタ５に出力する。フィルタ５は信号源２が出力する信号は遮断しない。このように、Ｃ１に入力された符号化情報とＣ２に入力された復号化情報が、正しく対応している場合は、信号源２からフェールセーフスイッチ１の入力端子ＩＮに入力された信号は出力端子ＯＵＴから出力され、制御対象６に伝送される。
【００１９】
制御情報である符号化情報と復号化情報が正しく対応していない場合は、復号化回路４の出力はもとの信号に復元されない。そして、信号の特性はもとの復元と異なりフィルタによって遮断され、出力端子ＯＵＴから制御対象６に出力されることはない。このように制御情報の伝送に異常が生じ、符号化情報と復号化情報のいずれかに誤りが生じるとフェールセーフスイッチは信号を遮断する。制御情報が入力されない場合は符号化回路３および復号化回路４は信号を伝送しないので信号は出力されない。
【００２０】
符号化回路３に故障が生じた場合、信号は正常に符号化されないので、復号化回路４によって信号を復元することができず、信号はフィルタ５で遮断される。復号化回路４に故障が生じた場合も復号処理が正常に実行できず、信号が復元されないので信号はフィルタ５によって遮断される。フィルタ５は受動的な回路とし、故障時でも単独で信号を出力することはなく、入力信号を遮断する構成とする。
【００２１】
このようにフェールセーフスイッチ内の回路、例えば符号化回路３，復号化回路４のいずれかになんらかの故障が発生した場合、もしくは、第１の制御情報及び第２の制御情報のいずれかに異常が生じた場合においても出力を遮断することができるフェールセーフスイッチを実現できる。
【００２２】
次に図２を用いて、フェールセーフスイッチを実現する回路構成と制御情報の構成例を示す。
【００２３】
信号源２を交流電源２Ａとし、制御対象６を信号灯６Ａとする。また本実施例では信号機を制御する信号制御装置７から制御情報をネットワーク８を介して複数の受信装置９Ａ，９Ｂへ送信し、受信装置で受信された制御情報（第１の制御情報，第２の制御情報）をＣ１，Ｃ２を介してスイッチ回路１へ入力し、ネットワーク経由でのフェールセーフな遠隔制御を可能とする構成である。またここでの符号化回路３Ａ，復号化回路４Ａには複数のフォトＭＯＳスイッチＡ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４，Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４を備えている。
【００２４】
交流電源２Ａが出力する信号の特性として周波数に注目する。交流電源２Ａの周波数をｆとする。この場合、フィルタ５Ａの備えるべき特徴は、信号源の周波数近傍以外の特性の信号を遮断することであるから、フィルタ５Ａは特定の周波数帯のみを通過させる特徴をもつバンドパスフィルタとして構成することができる。フィルタ５Ａでは、コンデンサとコイルとで構成したバンドパスフィルタの例を示す。
【００２５】
符号化回路３Ａは信号源２から出力され入力端子ＩＮから入力された信号の極性を反転する回路である。第１の制御情報である符号化情報によって信号の極性を反転することにより、信号の周波数特性を変更することができる。またこの変更は可逆的である。符号化情報として擬似ノイズ符号情報を用いる。
【００２６】
その符号化回路はＡ１〜Ａ４のフォトＭＯＳスイッチで構成されている。Ｃ１に入力された符号化情報がＬで、かつＣ２の入力がＨの場合、スイッチＡ１とスイッチＡ２が閉じ、スイッチＡ３とスイッチＡ４が開となり符号化回路３Ａは信号の極性を反転することなく出力する。逆にＣ１がＨ、Ｃ２がＬの場合はＡ１，Ａ２が開、Ａ３，Ａ４が閉となり極性が反転した信号が出力される。
【００２７】
Ｃ１，Ｃ２の入力がともにＬの場合はＡ１〜Ａ４のすべてのスイッチが閉となり符号化回路３Ａの入力が短絡され、出力は停止する。Ｃ１，Ｃ２の入力がともにＨの場合、またはＣ１，Ｃ２の端子が開放された場合は、Ａ１〜Ａ４のすべてのスイッチは開となり、信号出力は遮断される。
【００２８】
復号化回路４Ａは該符号化回路と同じく、信号入力端子Ｓ１から入力された信号の極性を反転する回路である。復号化情報として擬似ノイズ符号情報を用いる。Ｃ３，Ｃ４の制御情報の入力に対するＢ１〜Ｂ４の動作は符号化回路３Ａと同様である。
【００２９】
図３はフェールセーフスイッチ１に入力された信号の符号化・復号化の処理結果を示している。入力端子ＩＮから入力された交流信号は、符号化回路３Ａによって符号化情報のビット値に極性を反転されて出力され、復号化回路４ＡのＳ１に入力される。擬似ノイズによって符号化された信号は、周波数特性が広い周波数成分に分散される。復号化回路４Ａでは復号化情報によって信号の極性がさらに反転され、もとの信号に復元される。復元された信号は信号源である交流電源２Ａと同じ周波数特性をもつためフィルタ５Ａで遮断されることなく、出力端子ＯＵＴから信号灯６Ａに出力される。
【００３０】
次に図４で符号化回路３ＡのフォトＭＯＳスイッチＡ１に開放故障が発生した場合について説明する。Ｃ１へ入力される第１の制御情報がＬの時スイッチＡ１は開状態のままなので、符号化回路３Ａの出力は０となる。Ｃ１へ入力される第１の制御情報がＨ、Ｃ２への制御情報がＬの場合は正常時と同じで入力信号を反転して出力する。この結果、符号化回路の出力はＳ１のように符号化されることになる。この符号化された符号化信号に対して復号化回路４Ａで正当な制御情報を用いて復号化処理しても信号はＳ２のようになり、周波数成分は広帯域に広がったままである。よってフィルタ５Ａを通過できる信号はもとの交流信号の周波数ｆの周波数成分のみであり、ごくわずかの信号しか出力されない。ここで制御信号である擬似ノイズの基本クロックを増加させることにより、符号化された信号の元の周波数成分を減少させることができるので、擬似ノイズを適切に選択することによりフィルタの遮断特性を調整することができる。つまり、フィルタの遮断特性は、第１の制御情報及び第２の制御情報の基本クロックを制御することで調整可能である。
【００３１】
図５は符号化回路３ＡのフォトＭＯＳスイッチＡ１が短絡故障した場合を示した図である。
【００３２】
Ａ１は常に短絡であるから、Ａ１，Ａ２閉かつＡ３，Ａ４開という極性を反転させない場合については図３と同様である。しかし極性を反転させる場合の、Ｃ１がＨ，Ｃ２がＬの時には、Ａ２が開、Ａ１，Ａ３，Ａ４が閉となるためＡ１，Ａ３によって回路を短絡することになる。よって極性を反転させる制御の時のみ出力が停止し、信号はＳ１のような波形となる。この信号も開放故障時と同様に正常に復元することができないので、最終的にフィルタ５Ａで出力が遮断される。
【００３３】
符号化回路の他のスイッチの開放故障，短絡故障についても同様であり、また、復号回路のスイッチの故障についても同様である。
【００３４】
次に符号回路の動作が固定した場合について説明する。
【００３５】
図６は、Ｃ１の制御情報入力がＨ、Ｃ２の制御情報入力がＬとなり、符号化回路の動作が極性反転で固定した場合である。符号化回路３Ａの出力は、交流信号を反転したものとなる。復号化回路は正常であるが、Ｓ１は符号化されていない信号なので復号化回路の復号化処理によってＳ２への出力は符号化されたものと同様となる。よってフィルタ５Ａによって信号は遮断され、フェールセーフスイッチの出力も停止する。
【００３６】
次に制御情報が正しくない場合の動作について説明する。図７は復号化情報が符号化情報に対応していない場合の信号の符号化・複合化処理である。異なる擬似ノイズ符号間には情報の相関性はなく、符号化と復号をことなる擬似ノイズで処理した場合はもとの信号の周波数成分が広い帯域に分散されたままとなる。よって図７のＳ２における信号の例で示すように、復号に失敗した信号の周波数成分は元の交流信号とことなり広い周波数帯に分布することになるので、フィルタを通過する信号はごくわずかとなり、出力は遮断される。
【００３７】
本実施例によれば、スイッチをフェールセーフに直接制御する装置が不要であり、外部からの制御情報の正しさによって信号の出力をフェールセーフに制御できるスイッチを実現できる。よってフェールセーフな伝送を保証しないネットワーク経由でもフェールセーフな信号制御を実現できる。
【００３８】
【発明の効果】
スイッチング素子を直接制御する回路にはフェールセーフ性がなくとも、スイッチングのフェールセーフ性を保証し、ネットワーク経由でのフェールセーフな遠隔制御を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のフェールセーフなスイッチ回路の一実施例を示す図である。
【図２】本発明のスイッチ回路を用いたフェースセーフ制御システムの一実施例を示す図である。
【図３】本発明の信号の符号化と復号化の動作が正しい場合のタイムチャートを示す図である。
【図４】本発明の符号化回路のスイッチＡ１にオープン故障が発生した場合の、信号の符号化と復号化の動作のタイムチャートを示す図である。
【図５】本発明の符号化回路のスイッチＡ１にショート故障が発生した場合の、信号の符号化と復号化の動作のタイムチャートを示す図である。
【図６】本発明の故障により符号化回路が反転のまま動作が固定となった場合の、信号の符号化と復号化の動作のタイムチャートを示す図である。
【図７】本発明の復号化情報が正しくない場合の、信号の符号化と復号化の動作のタイムチャートを示す図である。
【符号の説明】
１…スイッチ回路、２…信号源、２Ａ…交流電源、３，３Ａ…符号化回路、４，４Ａ…復号化回路、５，５Ａ…フィルタ、６…制御対象、６Ａ…信号灯、７…信号制御装置、８…ネットワーク、９Ａ，９Ｂ…受信装置、Ａ１〜Ａ４，Ｂ１〜Ｂ４…フォトＭＯＳスイッチ、Ｉ１〜Ｉ４…制御信号用インバータ、Ｃ１〜Ｃ４…制御情報入力端子、ＩＮ…入力端子、ＯＵＴ…出力端子、Ｓ１，Ｓ２…信号入力端子、Ｖ…制御信号用電源、Ｒ…抵抗。
【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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