(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の低周波数の信号を、所定の高周波数の信号に変換して出力する周波数変換回路であって、
前記低周波数の信号に基づいてスイッチ動作をするチャージポンプ回路を有し、該チャージポンプ回路によって負電圧を発生して出力する負電圧発生部と、
前記負電圧発生部の出力が負電圧の場合に所与の高周波数の基準信号を生成する発振回路部と、
前記発振回路部で生成された基準信号をスイッチング信号として用いて前記高周波数の信号を生成して出力する高周波信号生成部と、
を備えた周波数変換回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フェールセーフな低周波数の信号をフェールセーフな高周波数の信号に変換する周波数変換回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
駅構内などで列車運行の安全を確保する電子連動装置では、故障が発生しても該故障によって乗客が危険な事態に陥らないようにするフェールセーフ対策が施されており、電子連動装置を構成する各種の回路は勿論のこと、電子連動装置の出力信号が入力される各種の回路についても、フェールセーフ性の確保が求められる。例えば、特許文献１に開示されたデジタル周波数逓倍回路は、回路素子の固定故障に対してフェールセーフ性が確保されるように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−４４２０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に開示された回路では、出力信号の周波数が入力信号の周波数Ｆの偶数倍に制約されるといった問題がある。また、回路構成が比較的複雑であるために回路部品の故障に関する回路のフェールセーフ性の検証が比較的に複雑であるとともに、入力信号が低周波の場合には回路量が増加するといった問題もある。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、低周波数の信号を高周波数の信号に変換するとともに、変換後の周波数に制約が無く、フェールセーフ性が確保された周波数変換回路を実現することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するための第１の形態は、
フェールセーフな低周波数の信号を、フェールセーフな高周波数の信号に変換して出力する周波数変換回路であって、
前記低周波数の信号に基づいて負電圧を発生して出力する負電圧発生部と、
前記負電圧発生部の出力が負電圧の場合に、所与の高周波数の基準信号を用いて前記高周波数の信号を生成して出力する高周波信号生成部と、
を備えた周波数変換回路である。
【０００７】
この第１の形態の周波数変換回路によれば、フェールセーフな低周波数の信号が入力された場合にのみ負電圧が発生・出力されるため、負電圧が出力された場合に生成・出力される高周波数の信号は、フェールセーフな信号となる。つまり、フェールセーフな低周波数の信号を、フェールセーフな高周波数の信号に変換・出力する周波数変換回路が実現される。また、変換後の信号の周波数（高周波数）は、基準信号の周波数によって決まり、入力される信号の周波数（低周波数）に制約されない。
【０００８】
より具体的な回路構成の例である第２の形態として、第１の形態の周波数変換回路であって、
前記高周波信号生成部は、
前記基準信号を入力する入力部を有し、
前記負電圧発生部の出力が負電圧の場合に、前記入力部に入力された基準信号をスイッチング信号として用いて前記高周波数の信号を生成する、
周波数変換回路を構成しても良い。
【０００９】
また、他の具体的な回路構成の例である第３の形態として、第１の形態の周波数回路であって、
前記高周波信号生成部は、
前記負電圧発生部の出力が負電圧の場合に前記基準信号を生成する発振回路部を有し、
前記発振回路部で生成された基準信号をスイッチング信号として用いて前記高周波数の信号を生成する、
周波数変換回路を構成しても良い。
【００１０】
また、第４の形態として、第１〜第３の何れかの形態の周波数変換回路であって、
前記負電圧発生部は、前記低周波数の信号に基づくスイッチ動作をして前記負電圧を発生させるチャージポンプ回路を有する、
周波数変換回路を構成しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１実施形態における周波数変換回路の接続状態図。
【図２】第１実施形態における周波数変換回路の回路構成図。
【図３】第１実施形態における周波数変換回路の動作を説明するタイムチャート。
【図４】第２実施形態における周波数変換回路の回路構成図。
【図５】第２実施形態における周波数変換回路の動作を説明するタイムチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。但し、本発明の適用可能な実施形態がこれに限定されるものではない。
【００１３】
［第１実施形態］
＜接続構成＞
図１は、第１実施形態における周波数変換回路１０Ａの接続状態を示すブロック図である。周波数変換回路１０Ａは、制御信号入力端子１１と、クロック信号入力端子１２と、制御信号出力端子１３とを有している。
【００１４】
制御信号入力端子１１は、電子連動装置３０に接続され、リレーを駆動するためのリレー制御信号である、フェールセーフな低周波数のデジタル制御信号（低周波制御信号）が入力される。クロック信号入力端子１２は、電子連動装置３０に接続され、高周波数のデジタルクロック信号（クロック信号）が入力される。制御信号出力端子１３は、リレー駆動部４０に接続され、フェールセーフな高周波数のデジタル制御信号（高周波制御信号）が出力される。
【００１５】
この周波数変換回路１０Ａは、制御信号入力端子１１から低周波制御信号が入力されているときに、クロック信号入力端子１２から入力されているクロック信号と同一周波数の高周波制御信号を制御信号出力端子１３から出力する。また、周波数変換回路１０Ａは、次段のリレー駆動部４０に入力する制御信号を高周波とし、その回路構成の小型化を図る目的で用いられる。
【００１６】
＜回路構成＞
図２は、第１実施例における周波数変換回路１０Ａの回路構成図である。周波数変換回路１０Ａは、直流電圧発生部２２と、レベル変換部２４Ａとを有している。
【００１７】
直流電圧発生部２２は、入力される低周波制御信号に基づいて、フェールセーフな負電圧を発生する負電圧発生部として機能する。この直流電圧発生部２２は、第１抵抗器Ｒ１と、第２抵抗器Ｒ２と、第３抵抗器Ｒ３と、第４抵抗器Ｒ４と、第１トランジスタＱ１と、第２トランジスタＱ２と、第１コンデンサＣ１と、第２コンデンサＣ２と、第１ダイオードＤ１と、第２ダイオードＤ２とを有して構成されるチャージポンプ回路である。第２コンデンサＣ２の両端電圧が、直流電圧発生部２２の出力電圧となる。
【００１８】
レベル変換部２４Ａは、直流電圧発生部２２によって生成された負電圧を動作電源として、入力されるクロック信号と同一周波数の制御信号（高周波制御信号）を生成する高周波数信号生成部として機能する。このレベル変換部２４Ａは、第５抵抗器Ｒ５と、第６抵抗器Ｒ６と、第７抵抗器Ｒ７と、第１フォトカプラＰ１と、第２フォトカプラＰ２とを有して構成される。
【００１９】
＜動作＞
図３は、周波数変換回路１０Ａの動作を説明するタイムチャートである。図３では、横軸を時刻ｔとして、入力される低周波制御信号Ｆｌｉと、直流電圧発生部２２の出力電圧（負電圧）と、入力されるクロック信号Ｆｈｉと、出力される高周波制御信号Ｆｈｏとのそれぞれの信号波形を模式的に示している。
【００２０】
時刻ｔ１までの期間は、「リレー制御無し」の期間であり、低周波制御信号Ｆｌｉは、論理信号レベルで「Ｌ（ローレベル）」の無信号の状態である。つまり、直流電圧発生部２２においては、第１トランジスタＱ１はオフであり、第１コンデンサＣ１は充電されない。このため、第２コンデンサＣ２が充電されず、直流電圧発生部２２の出力電圧は０（ゼロ）である。
【００２１】
そして、レベル変換部２４Ａにおいては、第１フォトカプラＰ１の第１フォトトランジスタＰｔ１は、直流電圧発生部２２の出力電圧が印加されるエミッタ電圧が０（ゼロ）のため、コレクタ・エミッタ間に電位が生じず、そのオン／オフに関わらず非導通である。このため、第２フォトカプラＰ２の第２フォトダイオードＰｄ２に電流が流れず、第２フォトトランジスタＰｔ２はオフとなる。従って、第７抵抗器Ｒ７を介して２４Ｖの電圧にプルアップされている制御信号出力端子１３から出力される高周波制御信号Ｆｈｏは、論理信号レベルで「Ｈ（ハイレベル）」の一定信号となる。
【００２２】
時刻ｔ１において、「リレー制御有り」に変化すると、低周波制御信号Ｆｌｉは、論理信号レベルで「Ｈ」と「Ｌ」に交互に変化する。すなわち、時刻ｔ１において、低周波制御信号Ｆｌｉが「Ｈ」となると、第１トランジスタＱ１がオンとなるとともに、第２トランジスタＱ２がオフとなる。すると、第１トランジスタＱ１、及び、第３抵抗器Ｒ３の経路に電流が流れ、第１コンデンサＣ１が充電される。
【００２３】
次いで、時刻ｔ２において、低周波制御信号Ｆｌｉが「Ｌ」に変化すると、第１トランジスタＱ１がオフとなるとともに、第２トランジスタＱ２がオンとなる。すると、第１コンデンサＣ１が放電し、これによって第２コンデンサＣ２が充電される。すなわち、第１コンデンサＣ１から第２コンデンサＣ２への転流が行われる。この第２コンデンサＣ２の充電に伴って、直流電圧発生部２２の出力電圧が低下する（負電圧の発生）。
【００２４】
そして、時刻ｔ３において、出力電圧（負電圧）が、レベル変換部２４Ａの動作電圧となる「−Ｖ」に達すると、クロック信号と同一の周波数の信号（高周波信号）が、制御信号出力端子１３から出力される。
【００２５】
すなわち、出力電圧が「−Ｖ」に達し、且つ、第１フォトトランジスタＰｔ１がオンのときは、第２フォトカプラＰ２の第２フォトダイオードＰｄ２に電流が流れて第２フォトトランジスタＰｔ２がオンとなり、高周波制御信号Ｆｈｏは「Ｌ」となる。一方、出力電圧が「−Ｖ」に達し、且つ、第１フォトトランジスタＰｔ１がオフのときは、第２フォトダイオードＰｄ２に電流が流れず第２フォトトランジスタＰｔ２がオフとなり、高周波制御信号は「Ｈ」となる。つまり、第１フォトトランジスタＰｔ１の「オン／オフ」に同期して、「Ｌ／Ｈ」に変化する高周波制御信号が出力される。
【００２６】
ところで、クロック信号Ｆｈｉが「Ｌ」のときは、第１フォトカプラＰ１の第１フォトダイオードＰｄ１に電流が流れ、第１フォトトランジスタＰｔ１がオンとなる。一方、クロック信号Ｆｈｉが「Ｈ」のときは、第１フォトカプラＰ１の第１フォトダイオードＰｄ１に電流が流れないため、第１フォトトランジスタＰｔ１はオフとなる。つまり、クロック信号Ｆｈｉの「Ｌ／Ｈ」に同期して、第１フォトトランジスタＰｔ１が「オン／オフ」と変化する。
【００２７】
従って、直流電圧発生部２２からの出力電圧が「−Ｖ」に達している場合、クロック信号の「Ｌ／Ｈ」に同期して「Ｌ／Ｈ」に変化する高周波制御信号、すなわち、クロック信号と同一の周波数の高周波制御信号が出力される。出力される高周波制御信号の信号レベルは、第７抵抗器Ｒ７の抵抗値によって決まる。
【００２８】
このように、低周波制御信号が「Ｈ」の期間において、第１コンデンサＣ１が充電され、続く低周波制御信号が「Ｌ」の期間において、第１コンデンサＣ１が放電し、これによって第２コンデンサＣ２が充電される。
【００２９】
なお、低周波制御信号が「Ｌ」のときは、第１コンデンサＣ１の放電によって第２コンデンサＣ２が充電されるが、第１コンデンサＣ１が放電し終わると、第２コンデンサＣ２が放電してその両端電圧が低下する。しかし、低周波制御信号は「Ｈ」と「Ｌ」を繰り返す。つまり、第２コンデンサＣ２の充電が断続的に繰り返されるため、直流電圧発生部２２からの出力電圧は、一定の負電圧（−Ｖｍ）に保たれる。
【００３０】
ここで、レベル変換部２４Ａの動作電圧である「−Ｖ」は、第２フォトトランジスタＰｔ２をオンとする電流を第２フォトダイオードＰｄ２に流すのに必要な電圧であり、第６抵抗器Ｒ６の抵抗値によって決まる。
【００３１】
＜フェールセーフの確保＞
上述のように、低周波制御信号Ｆｌｉが「Ｌ」で固定されるとき（リレー制御無しのとき）、直流電圧発生部２２の出力電圧は０（ゼロ）となり、高周波制御信号Ｆｈｏは「Ｈ」に固定される。
【００３２】
一方、低周波制御信号Ｆｌｉが「Ｈ」で固定されるときは、第１トランジスタＱ１がオンとなって第１コンデンサＣ１が充電されるが、第２コンデンサＣ２は充電されずその両端電圧は０（ゼロ）となり、高周波制御信号は「Ｈ」に固定される。第２コンデンサＣ２が充電されるのは、第１トランジスタＱ１がオンとなって第１コンデンサＣ１が充電された後、第１トランジスタＱ１がオフとなるとともに第２トランジスタＱ２がオンとなった場合のみである。つまり、直流電圧発生部２２の出力電圧が直流の負電圧となるのは、低周波制御信号が「Ｈ」と「Ｌ」を交互に繰り返すように変化した場合のみであり、この場合にのみ、レベル変換部２４Ａが動作して、クロック信号と同一の周波数の高周波制御信号が出力される。
【００３３】
また、例えば、第１トランジスタＱ１、第１コンデンサＣ１、及び、第２ダイオードＤ１が、ともに導通故障した場合、第２コンデンサＣ２の端子電圧は正電圧となる。つまり、直流電圧発生部２２の出力電圧は正電圧となる。この場合、レベル変換部２４Ａは動作しない。すなわち、レベル変換部２４Ａにおける第１フォトトランジスタＰｔ１は、そのオン／オフに関わらずに非導通である。そして、第２フォトトランジスタＰｔ２はオフとなり、高周波制御信号は「Ｈ」に固定される。これらにより、周波数変換回路１０Ａのフェールセーフが確保される。
【００３４】
［第２実施形態］
次に、第２実施形態を説明する。第２実施形態は、上述の第１実施形態における周波数変換回路１０Ａにおいて、クロック信号を入力せず、回路内部で、クロック信号に相当する信号を生成する構成とした実施形態である。なお、以下の説明において、上述の第１の実施形態と同一の要素については同符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００３５】
＜回路構成＞
図４は、第２実施形態における周波数変換回路１０Ｂの回路構成図である。周波数変換回路１０Ｂは、直流電圧発生部２２と、発振器２６と、レベル変換部２４Ｂとを有し、発振器２６及びレベル変換部２４Ｂによって高周波信号生成部として機能する。
【００３６】
発振器２６は、直流電圧発生部２２の出力電圧（負電圧）を動作電源として動作し、「Ｈ」をゼロ電圧、「Ｌ」を負電圧とする所定の高周波数の発振信号を出力する。具体的には、動作電圧として、所定の負電圧「−Ｖ」が供給されると、高周波数の発振信号Ｆｏを出力する。
【００３７】
レベル変換部２４Ｂは、発振器２６から入力された発振信号と同一の周波数の高周波制御信号を生成する。このレベル変換部２４Ｂは、第８抵抗器Ｒ８と、第９抵抗器Ｒ９と、第３フォトカプラＰ３とを有して構成される。
【００３８】
＜動作＞
図５は、周波数変換回路１０Ｂの動作を説明するタイムチャートである。図５では、横軸を時刻ｔとして、入力される低周波制御信号と、直流電圧発生部２２の出力電圧（負電圧）と、発振器２６の出力信号（発振信号）と、出力される高周波制御信号とのそれぞれの信号波形を模式的に示している。
【００３９】
時刻ｔ１１までの期間は「リレー制御無し」の期間であり、低周波制御信号は信号レベルが「Ｌ」である。この期間では、直流電圧発生部２２の出力電圧は０（ゼロ）である。従って、発振器２６は動作せず、発振器２６の出力信号（発振信号）は「Ｈ」の一定信号となる。このため、レベル変換部２４Ｂにおいては、第３フォトカプラＰ３の第３フォトダイオードＰｄ３に電流が流れず、第３フォトトランジスタＰｔ３はオフとなり、制御信号出力端子１３から出力される高周波制御信号は「Ｈ」となる。
【００４０】
続いて、時刻ｔ１１において「リレー制御有り」に変化すると、低周波制御信号は、「Ｈ」と「Ｌ」に交互に変化する信号となる。すなわち、低周波制御信号が「Ｈ」から「Ｌ」に変化する時刻１２において、第２コンデンサＣ２への充電が開始されて直流電圧発生部２２の出力電圧が低下する。
【００４１】
時刻ｔ１３において、直流電圧発生部２２の出力電圧が発振器２６の動作電圧である「−Ｖ」に達すると（負電圧の発生）、発振器２６から発振信号が出力され、その発振信号と同一の周波数の高周波制御信号が制御信号出力端子１３から出力される。
【００４２】
そして、発振信号の「Ｈ／Ｌ」の変化に同期して、第３フォトカプラＰ３の第３フォトトランジスタＰｔ３がオン／オフし、高周波制御信号が「Ｌ／Ｈ」に変化する。すなわち、発振信号が「Ｈ」のときは、第３フォトダイオードＰｄ３に電流が流れず第３フォトトランジスタＰｔ３がオフとなり、高周波制御信号は「Ｈ（ハイレベル）」となる。一方、発振信号が「Ｌ」のときは、第３フォトダイオードＰｄ３に電流が流れて第３フォトトランジスタＰｔ３がオンとなり、高周波制御信号は「Ｌ」となる。
【００４３】
＜フェールセーフの確保＞
上述の第１実施例と同様に、直流電圧発生部２２は、低周波制御信号が「Ｈ」と「Ｌ」に交互に変化する場合にのみ、その出力電圧が直流の負電圧となる。そして、発振器２６が動作して発振信号を出力し、この発振信号と同一の周波数の高周波制御信号が出力される。一方、低周波制御信号が「Ｈ」或いは「Ｌ」に固定されている場合には、直流電圧発生部２２の出力電圧は０（ゼロ）となり、発振器２６は動作せず、高周波制御信号は「Ｈ」に固定される。これにより、周波数変換回路１０Ｂのフェールセーフが確保される。
【００４４】
また、発振器２６の発振信号は「Ｈ」がゼロ電圧の信号であり、第３フォトカプラＰ３の第３フォトトランジスタＰｔ３は、発振信号が負電圧でなければオンしない。従って、発振器２６が故障し、発振器２６の出力信号が正電圧或いはゼロ電圧の信号となったとしても、第３フォトトランジスタＰｔ３が動作せず、高周波制御信号は「Ｈ」に固定される。
【００４５】
［変形例］
なお、本発明の適用可能な実施形態は、上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能なのは勿論である。
【００４６】
（Ａ）直流電圧発生部２２
例えば、上述の各実施形態において、直流電圧発生部２２は、入力される低周波制御信号Ｆｌｉをスイッチング信号として用いて直流電圧を発生するチャージポンプ回路を有する構成としたが、低周波制御信号Ｆｌｉが入力された場合にのみ直流の負電圧を発生するのであれば、例えばトランス結合整流回路といった他の回路構成でも良い。
【００４７】
（Ｂ）レベル変換部２４Ａ，２４Ｂ
また、上述の各実施形態において、レベル変換部２４Ａ，２４Ｂが第１フォトカプラＰ１〜第３フォトカプラＰ３を有して構成されるとしたが、フォトモスリレーなどの他の種類の半導体素子を有して構成されることにしても良い。また、これらの第１フォトカプラＰ１〜第３フォトカプラＰ３に代えて、トランジスタを用いても良い。
【００４８】
（Ｃ）発振器２６
また、上述の第２実施形態において、発振器２６に代えて発振回路によって構成しても良い。
【符号の説明】
【００４９】
１０Ａ，１０Ｂ  周波数変換回路
２２  直流電圧発生部
２４Ａ，２４Ｂ  レベル変換部
２６  発振器
３０  電子連動装置、４０  リレー駆動部
【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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