JP2020141230A - スイッチの状態診断回路及びそれを用いた負荷制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】負荷の状態によらず、応答速度が低下するのを抑制可能なスイッチの状態診断回路を提供する。【解決手段】状態診断回路１０は、第１のスイッチＳＷ１に接続された第１の抵抗Ｒ１と、第１の抵抗Ｒ１と直列に接続された第１の発光素子ＬＥＤ１と、第１の発光素子ＬＥＤ１と電気的に絶縁され、第１の発光素子ＬＥＤ１からの放射光の光量に応じてオン状態とオフ状態との間を遷移する第１のフォトトランジスタＰＴ１と、第１の抵抗Ｒ１と並列に接続され、第１のスイッチＳＷ１が開状態の場合に、第１の発光素子ＬＥＤ１から残留電荷を引き抜くための電荷引き抜き回路１１と、を備えている。第１のフォトトランジスタＰＴ１の出力信号に基づいて、第１のスイッチＳＷ１の開閉状態が診断される。【選択図】図２

Description

本発明は、スイッチの状態診断回路及びそれを用いた負荷制御装置に関する。

自動車機器、産業機器では機能安全対応のニーズが高まっており、リレー、ブレーキ等の負荷を駆動するにあたって駆動部品や駆動回路が正常か否かを自己診断するための技術が用いられるようになってきている。

例えば、特許文献１には、電源供給ライン中に挿入されたヒューズの状態を電源供給ラインに並列に接続されたフォトカプラを用いて自己診断するハイサイドスイッチ用自己診断回路が開示されている。

また、特許文献２には、電磁負荷の上流に設けられたハイサイドドライバの出力部に接続され、ハイサイドドライバの出力電圧と所定の比較電圧とを比較するコンパレータを用いて、ハイサイドドライバの故障の有無及びその種類を診断する構成が開示されている。

特開２００６−０６２１２９号公報 特開２０１７−２１０９３６号公報

ところで、自動車用機器や産業用機器において、負荷に接続されたスイッチが正常であるか否かの自己診断はスイッチを開閉させて行われる。電源がオン状態である場合、通常、スイッチは閉状態であり、負荷には電流が流れている。このため、スイッチの自己診断は短時間で行わなければならない。

一方、軽負荷が接続された場合、もしくは負荷がオープン状態である場合は、負荷に接続された端子の電位変動が小さくなることがある。

しかし、このような場合に、特許文献１に開示された従来の構成では、フォトカプラ内の発光素子に蓄積された残留電荷に起因して、自己診断回路の応答速度が低下するおそれがあった。発光素子に直列に接続された抵抗の抵抗値を小さくすることで、応答速度を高めることもできるが、この場合は、発光素子や抵抗に流れる電流が大きくなるため、フォトカプラの寿命が短くなるおそれがあった。さらに、発光素子や抵抗に流れる電流が大きくなると、高電力に対応した抵抗が必要になるため、実装される抵抗の体格、すなわち、実装面積等が大きくなることが懸念される。

また、特許文献２に開示された従来の構成では、自己診断回路の規模が大きくなるという課題があった。さらに、診断対象となるデバイスと自己診断回路との間が電気的に接続されているため、負荷を含め、負荷制御装置の機能安全性を確保する上で問題となるおそれがあった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたもので、その目的は、簡便な構成で応答速度の低下を抑制可能なスイッチの状態診断回路及びそれを用いた負荷制御装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明に係る状態診断回路は、第１のスイッチの開閉状態を診断する状態診断回路であって、前記第１のスイッチの負荷側端子に接続された第１の抵抗と、前記第１の抵抗と直列に接続された第１の発光素子と、前記第１の発光素子と電気的に絶縁され、前記第１の発光素子からの放射光を受光し、当該放射光の光量に応じてオン状態とオフ状態との間を遷移する第１の受光素子と、前記第１の抵抗と並列に接続され、前記第１のスイッチが開状態の場合に前記第１の発光素子に蓄積された電荷を引き抜くための電荷引き抜き回路と、を備え、前記第１の受光素子の出力信号に基づいて、前記第１のスイッチの開閉状態を診断することを特徴とする。

この構成によれば、負荷の状態によらず、第１のスイッチの開閉に応じた状態診断回路の応答速度の低下を抑制できる。

本発明に係る負荷制御装置は、一端が所定の電位に、他端が負荷接続端子にそれぞれ電気的に接続された第１のスイッチと、前記第１のスイッチを動作させる第１のスイッチ駆動回路と、前記第１のスイッチ駆動回路を制御する駆動制御回路と、前記第１のスイッチ及び前記駆動制御回路にそれぞれ電気的に接続された前記状態診断回路と、を備え、前記駆動制御回路に入力された前記第１の受光素子の出力信号に基づいて、前記駆動制御回路は前記第１のスイッチの開閉状態を診断し、前記第１のスイッチが閉状態の場合に、一端が前記負荷接続端子に接続された負荷に所定の電流が流れることを特徴とする。

この構成によれば、負荷に所定の電流が流れて駆動される期間中に第１のスイッチの状態を自己診断することができる。

本発明の状態診断回路によれば、負荷の状態によらず、第１のスイッチの開閉に応じた応答速度の低下を抑制できる。本発明の負荷制御装置によれば、負荷を駆動する期間中に第１のスイッチの状態を自己診断することができる。

本発明の実施形態１に係る車両制御装置の構成を示す模式図である。 負荷制御装置の構成を示す図である。 比較のための負荷制御装置の構成を示す図である。 第１のスイッチの開閉に応じた状態診断回路の応答波形を示す図である。 逆バイアス電圧が印加された場合の状態診断回路の応答を示す模式図である。 本発明の実施形態２に係る負荷制御装置の構成を示す図である。 第１のスイッチの構成を示す図である。 第１のスイッチの他の構成を示す図である。 比較のための別の負荷制御装置の構成を示す図である。 第１のスイッチの開閉に応じた状態診断回路の応答波形を示す図である。 その他の実施形態に係る負荷制御装置の構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。

（実施形態１）
［車両制御装置の構成］
図１は、本実施形態に係る車両制御装置の構成模式図を示し、車両制御装置１０００は、メイン制御装置１００と、複数のサブ制御装置１１０〜１１２と、機能安全回路２００〜２０３とを備えている。

メイン制御装置１００は、複数のサブ制御装置１１０〜１１２に電気的に接続され、複数のサブ制御装置１１０〜１１２の動作をそれぞれ独立して、あるいは連動して制御するように構成されている。複数のサブ制御装置１１０〜１１２は、それぞれ異なる負荷（図示せず）、例えば、リレー等に電気的に接続され、負荷の駆動を制御するように構成されている。メイン制御装置１００やサブ制御装置１１０〜１１２は、内部にＣＰＵ（Central Processing Unit）を備えるＥＣＵ（Electronic Control Unit）として、通常、構成される。

機能安全回路２００〜２０３は、メイン制御装置１００及び複数のサブ制御装置１１０〜１１２のそれぞれに設けられ、各制御装置１００，１１０〜１１２の内部に設けられた負荷駆動部品や駆動回路（いずれも図示せず）が正常に機能しているか否かを診断するとともに、異常が発生した場合は、各制御装置１００，１１０〜１１２を停止させたり、警告を報知したりするように構成されている。自己診断装置２１０〜２１３は、必要に応じて、負荷駆動部品や駆動回路のそれぞれに設けられ、当該負荷駆動部品や駆動回路が正常に機能しているか否かを診断するように構成されている。

なお、図１では、サブ制御装置を３つ有する車両制御装置１０００を例示したが、特にこれに限定されず、サブ制御装置の個数は１つでも２つでも４つ以上でもよい。

また、図１に示す車両制御装置１０００に限られず、同様の構成の制御装置は、他の用途にも適用できる。例えば、産業（Ｆａｃｔｏｒｙ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ）用制御装置として図１に示す構成の制御装置を用いるようにしてもよい。この場合、サブ制御装置には、各部に取付けられたモータを制御するドライバなどを用いることができる。

［負荷制御装置及び状態診断回路の構成］
図２は、本実施形態に係る負荷制御装置の構成を示す。なお、図２に示す状態診断回路１０が図１に示す自己診断回路２１０〜２１３の１つに相当する。

負荷制御装置７０は、端子Ｔ１〜Ｔ４と、第１及び第２のスイッチＳＷ１，ＳＷ２と、第１及び第２のスイッチ駆動回路３０，４０と、駆動制御回路５０と、絶縁電源６０と、第２及び第３のフォトカプラ２１，２２と、状態診断回路１０と、を有している。

端子Ｔ１は、２４Ｖの電圧を発生させる電源（図示せず）に接続されており、その電位は＋２４Ｖに固定されている。端子Ｔ２は、図示しない直流電源または交流電源に接続されている。端子Ｔ３は、負荷３００との接続端子である。端子Ｔ４は、グラウンド電位（以下、ＧＮＤ電位という）に接続されており、その電位はＧＮＤ電位に固定されている。なお、以降の説明において、端子Ｔ１を固定電位端子Ｔ１と、端子Ｔ２を外部電源接続端子Ｔ２と、端子Ｔ３を負荷接続端子Ｔ３と、端子Ｔ４をＧＮＤ端子Ｔ４とそれぞれ呼ぶことがある。

第１のスイッチＳＷ１及び第２のスイッチＳＷ２は、固定電位端子Ｔ１と負荷接続端子Ｔ３との間の電流経路中に配置されており、第１のスイッチＳＷ１が負荷接続端子Ｔ３に近い側に、第２のスイッチＳＷ２が固定電位端子Ｔ１に近い側にそれぞれ配置されている。

なお、本願明細書において、スイッチとは、「電流経路中に配置され、外部からの信号等に応じて開状態と閉状態との間を遷移することで、電流経路の導通、非導通状態を制御する素子」のことをいう。第１のスイッチＳＷ１及び第２のスイッチＳＷ２は、それぞれ接点式のリレースイッチであってもよいし、バイポーラトランジスタや電界効果トランジスタ等の半導体素子であってもよいし、他のタイプの素子であってもよい。また、第１のスイッチＳＷ１と第２のスイッチＳＷ２とは、互いに同じ種類であってもよいし、異なる種類であってもよい。電流定格や電圧定格や温度特性等が所要の基準を満たしていればよい。なお、開状態をオン状態と、閉状態をオフ状態とそれぞれ呼ぶことがある。

第１及び第２のスイッチ駆動回路３０，４０は、それぞれ第１及び第２のスイッチＳＷ１，ＳＷ２に接続されており、駆動制御回路５０からの駆動信号、具体的には、後述する第２の発光素子ＬＥＤ２及び第３の発光素子ＬＥＤ３からの放射光の光量に応じて各々のスイッチを開閉するように構成されている。

駆動制御回路５０は、第２及び第３のフォトカプラ２１，２２とそれぞれ接続されており、第２の発光素子ＬＥＤ２及び第３の発光素子ＬＥＤ３に所定の駆動電流を供給するように構成されている。また、駆動制御回路５０は、第１及び第２のスイッチ駆動回路３０，４０とそれぞれ電気的に絶縁されている。駆動制御回路５０は、通常、ＣＰＵ及び各回路とのインターフェース部（いずれも図示せず）を有しており、後で述べる状態診断回路１０の出力信号に応じて、第１及び第２のスイッチ駆動回路３０，４０を制御するように構成されている。

絶縁電源６０は、絶縁型のＤＣ−ＤＣコンバータあるいはＡＣ−ＤＣコンバータであり、外部電源接続端子Ｔ２を介して外部電源（図示せず）から受け取った電圧を内部に有するトランス（図示せず）により所定の電圧に変換して、駆動制御回路５０に供給するように構成されている。つまり、絶縁電源６０は、外部電源と絶縁を保ちつつ、所定の電圧を発生させ負荷制御装置７０の内部に設けられた駆動制御回路５０に供給する電源である。絶縁電源６０を設けることで、外部電源から直接に電力が供給されることがなく、負荷制御装置７０の安全保護が図れる。

第２のフォトカプラ２１は、図示しないパッケージの内部に収容された第２の発光素子ＬＥＤ２と第２のフォトトランジスタＰＴ２とで構成されている。同様に、第３のフォトカプラ２２は、図示しないパッケージの内部に収容された第３の発光素子ＬＥＤ３と第３のフォトトランジスタＰＴ３とで構成されている。第２及び第３の発光素子ＬＥＤ２，ＬＥＤ３は、化合物半導体材料からなる、いわゆるＰＮ接合ダイオードであり、所定の波長の光、具体的には赤外光を放射する。第２及び第３のフォトトランジスタＰＴ２，ＰＴ３のコレクタ電位が第２及び第３のフォトカプラ２１，２２の出力信号となり、それぞれ第１及び第２のスイッチ駆動回路３０，４０に入力される。

第２の発光素子ＬＥＤ２からの放射光が所定以上の光量である場合、第２のフォトトランジスタＰＴ２がオン状態となり、第１のスイッチ駆動回路３０は第１のスイッチＳＷ１を動作させて第１のスイッチＳＷ１が閉状態になるようにする。同様に、第３の発光素子ＬＥＤ３からの放射光が所定以上の光量である場合、第３のフォトトランジスタＰＴ３がオン状態となり、第２のスイッチ駆動回路４０は第２のスイッチＳＷ２を動作させて第２のスイッチＳＷ２が閉状態になるようにする。

なお、第２の発光素子ＬＥＤ２は駆動制御回路５０を介して絶縁電源６０から駆動電流を供給され、また、駆動制御回路５０を介してシステムグラウンド電位（以下、ＳＧＮＤ電位という）に電気的に接続されている。第２のフォトトランジスタＰＴ２は第１のスイッチＳＷ１駆動回路３０を介して、２４Ｖ電源から電圧が印加される一方、ＧＮＤ電位に電気的に接続されている。ＳＧＮＤ電位とＧＮＤ電位とは電気的に分離されており、一方の電位変動が他方の電位に影響しないように構成されている。よって、第２の発光素子ＬＥＤ２は第２のフォトトランジスタＰＴ２と電気的に絶縁されている。

また、第３の発光素子ＬＥＤ３は駆動制御回路５０を介して絶縁電源６０から駆動電流を供給され、また、駆動制御回路５０を介してＳＧＮＤ電位に電気的に接続されている。第３のフォトトランジスタＰＴ３は第２のスイッチ駆動回路４０を介して、２４Ｖ電源から電圧が印加される一方、ＧＮＤ電位に電気的に接続されている。つまり、第３の発光素子ＬＥＤ３は第３のフォトトランジスタＰＴ３と電気的に絶縁されている。

なお、本願明細書において、「ＡとＢとが電気的に接続されている」とは、ＡとＢとが配線を介して物理的に接続されている以外に、ＡとＢとの間で電力や電気信号の伝送がなされる場合も含む。例えば、配線以外の電気部品、例えば、抵抗やコンデンサやトランスやスイッチ等を介してＡとＢとが接続されている場合も含む。

状態診断回路１０は、第１のスイッチＳＷ１の負荷側端子に接続されており、第１のフォトカプラ２０と、第１の抵抗Ｒ１と、第１及び第２のダイオードＤ１，Ｄ２と、電荷引き抜き回路１１とを有している。

第１のフォトカプラ２０は、図示しない同一のパッケージ内に収容された第１の発光素子ＬＥＤ１と第１のフォトトランジスタＰＴ１とで構成されている。なお、第１の発光素子ＬＥＤ１と第１のフォトトランジスタＰＴ１とは、ひとつのパッケージとして形成されてもよく、別々のパッケージで形成されてもよい。第１の発光素子ＬＥＤ１も第２及び第３の発光素子ＬＥＤ２，ＬＥＤ３と同様の構造を有するＰＮ接合ダイオードである。第１のフォトトランジスタＰＴ１は、シリコン基板に形成されたｎ型のバイポーラトランジスタであり、ベースに相当する部分が受光部となっている。受光部に所定以上の光量の光が入射されると、第１のフォトトランジスタＰＴ１がオフ状態からオン状態に遷移し、コレクタがＳＧＮＤ電位に電気的に接続されて高電位から低電位となる。第１のフォトトランジスタＰＴ１のコレクタ電位が第１のフォトカプラ２０の出力信号となる。なお、第２及び第３のフォトトランジスタＰＴ２，ＰＴ３も第１のフォトトランジスタＰＴ１と同様の構造を有している。

第１の抵抗Ｒ１は、第１のスイッチＳＷ１の負荷側端子と第１の発光素子ＬＥＤ１との間に設けられ、かつ第１の発光素子ＬＥＤ１に直列に接続されている。第１の抵抗Ｒ１は、第１の発光素子ＬＥＤ１に流れる電流量を調整するために設けられており、その抵抗値は、例えば数ｋΩ〜数十ｋΩ程度である。

第１のダイオードＤ１は、シリコン基板に形成された、いわゆるＰＮ接合ダイオードである。第１のダイオードＤ１は、第１の抵抗Ｒ１と第１の発光素子ＬＥＤ１との間に、かつ第１の発光素子ＬＥＤ１のアノード側に設けられ、第１の発光素子ＬＥＤ１及び第１の抵抗Ｒ１と直列に接続されている。第１のダイオードＤ１は、第１の発光素子ＬＥＤ１に逆バイアス電圧が印加された場合に、第１の発光素子ＬＥＤ１に逆方向の電流、この場合、カソード側からアノード側に電流が流れるのを抑制し、第１の発光素子ＬＥＤ１を保護する役割を有している。なお、第１のダイオードＤ１は、第１のスイッチＳＷ１の負荷側端子と第１の抵抗Ｒ１との間に設けられていてもよい。

電荷引き抜き回路１１は、第１のコンデンサＣ１と、これに直列に接続された第２の抵抗Ｒ２とを含んでおり、第１の抵抗Ｒ１及び第１のダイオードＤ１と並列に接続されている。また、電荷引き抜き回路１１は第１のスイッチＳＷ１の負荷側端子と第１の発光素子ＬＥＤ１のアノード側とにそれぞれ電気的に接続されている。後で詳述するように、第１のスイッチＳＷ１が開状態の場合に、第１のコンデンサＣ１に蓄積された電荷が第２の抵抗Ｒ２を介して第１の発光素子ＬＥＤ１に供給される。なお、第２の抵抗Ｒ２の抵抗値は、数十Ω〜１００Ω程度であり、第１の抵抗Ｒ１の抵抗値よりも小さくなるように設定されている。

第２のダイオードＤ２は、第１のダイオードＤ１と同様の構造を有している。第２のダイオードＤ２は、アノード側がＧＮＤ電位に、カソード側が第１のスイッチＳＷ１の負荷側端子に接続された第１の発光素子ＬＥＤ１のアノード側にそれぞれ電気的に接続されている。後で詳述するように、第２のダイオードＤ２は、負荷接続端子Ｔ３に逆バイアス電圧が印加された場合、または、ＧＮＤ端子Ｔ４とＧＮＤ電位とが電気的に接続されなくなって、ＧＮＤ端子Ｔ４に対して負荷接続端子Ｔ３が低電位となった場合に、負荷接続端子Ｔ３から流入する電流をＧＮＤ電位に流すことで、第１の発光素子ＬＥＤ１に逆方向の電流が流れるのを抑制し、第１の発光素子ＬＥＤ１を保護する役割を有している。具体的には、第１の発光素子ＬＥＤ１に電流が流れなくなるとき、電荷引き抜き回路１１を介して第１の発光素子ＬＥＤ１から蓄積されていた電荷が抜ける。このとき、第２のダイオードＤ２は、第１の発光素子ＬＥＤ１に発生する逆バイアス電圧から第１の発光素子ＬＥＤ１を保護する役割を果たす。

なお、図２において、説明の便宜上、負荷３００の等価回路をコイルとして図示しているが、特にこれに限定されず、負荷３００の等価回路がコンデンサや抵抗であってもよいし、他の能動素子であってもよい。また、これらの組合わせであってもよい。

［負荷制御装置及び状態診断回路の動作］
２４Ｖ電源（図示せず）及び外部電源接続端子Ｔ２に接続される外部電源（図示せず）がそれぞれオン状態になると、駆動制御回路５０は絶縁電源６０から供給された駆動電流を第２及び第３の発光素子ＬＥＤ２，ＬＥＤ３に流し、第２及び第３の発光素子ＬＥＤ２，ＬＥＤ３はそれぞれ所定以上の光量の放射光を放射する。これらの放射光が第２及び第３のフォトトランジスタＰＴ２，ＰＴ３で受光されて、第２及び第３のフォトトランジスタＰＴ２，ＰＴ３はオフ状態からオン状態に遷移する。第２及び第３のフォトトランジスタＰＴ２，ＰＴ３のコレクタ電位が第１及び第２のスイッチ駆動回路３０，４０にそれぞれ入力され、第１及び第２のスイッチ駆動回路３０，４０は第１及び第２のスイッチＳＷ１，ＳＷ２をそれぞれ閉状態となるように動作させる。この状態で、固定電位端子Ｔ１から負荷接続端子Ｔ３に接続された負荷３００に所定の電流が供給され、負荷３００が駆動される。なお、負荷３００の他端はＧＮＤ電位に電気的に接続されている。

この状態では、固定電位端子Ｔ１から第２のスイッチＳＷ２及び第１のスイッチＳＷ１、さらに第１の抵抗Ｒ１及び第１のダイオードＤ１を介して第１の発光素子ＬＥＤ１に駆動電流が供給され、第１の発光素子ＬＥＤ１は、所定以上の光量の放射光を放射する。この放射光が、第１のフォトトランジスタＰＴ１で受光され、低電位となった第１のフォトトランジスタＰＴ１のコレクタ電位が状態診断回路１０の出力信号として駆動制御回路５０に出力される。状態診断回路１０の出力信号を受け取った駆動制御回路５０は、第１及び第２のスイッチＳＷ１，ＳＷ２が閉状態を維持するように第１及び第２のスイッチ駆動回路３０，４０を制御する。また、第１及び第２のスイッチＳＷ１，ＳＷ２が閉状態となった時点から、第１のコンデンサＣ１には過渡電流が流れ、電荷が蓄積される。過渡電流は、第２の抵抗Ｒ２と第２のダイオードＤ２との接続部の電位が、第１の抵抗Ｒ１及び第１のダイオードＤ１と第１の発光素子ＬＥＤ１との抵抗分圧比で決まる電位に到達するまで流れ続ける。

ここで、何らかの理由で第１のスイッチＳＷ１が開状態となり、さらに開状態に固着された場合を考える。この場合、固定電位端子Ｔ１と負荷接続端子Ｔ３との間がオープン状態となり、負荷３００に電流が流れなくなる。また、同様に、固定電位端子Ｔ１から第１の発光素子ＬＥＤ１へ駆動電流が供給されなくなる。

一方、第１のコンデンサＣ１に蓄積された電荷は、第２の抵抗Ｒ２を介して電流として第１の発光素子ＬＥＤ１に供給される。第１の発光素子ＬＥＤ１には、第１のコンデンサＣ１の蓄積電荷に応じたわずかな電流しか流れないため、第１のフォトトランジスタＰＴ１はオン状態を維持できずオフ状態に遷移し、第１のフォトトランジスタＰＴ１のコレクタ電位は低電位から高電位となる。この電位変化が駆動制御回路５０で検出されることで、駆動制御回路５０は、第１のスイッチＳＷ１に何らかの異常が発生したと判断して、第２のスイッチＳＷ２を開状態とするように第２のスイッチ駆動回路４０を制御する。

なお、前述の一連の動作において、第２のダイオードＤ２は逆バイアス状態が維持されているため、電流が流れない。

［効果等］
以上説明したように、本実施形態に係る状態診断回路１０は、第１のスイッチＳＷ１の開閉状態を診断し、第１のスイッチＳＷ１の負荷側端子に接続された第１の抵抗Ｒ１と、第１の抵抗Ｒ１と直列に接続された第１のフォトカプラ２０と、第１の抵抗Ｒ１と並列にかつ第１の発光素子ＬＥＤ１のアノード側に接続され、第１のスイッチＳＷ１が開状態の場合に第１のフォトカプラ２０内の第１の発光素子ＬＥＤ１に蓄積された電荷を引き抜くための電荷引き抜き回路１１と、を備えている。

第１のフォトカプラ２０は、第１の抵抗Ｒ１と直列に接続された発光素子ＬＥＤ１と、第１の発光素子ＬＥＤ１と電気的に絶縁され、第１の発光素子ＬＥＤ１からの放射光を受光し、この放射光の光量に応じてオン状態とオフ状態との間を遷移する第１のフォトトランジスタ（受光素子）ＰＴ１と、を含んでおり、第１のフォトトランジスタＰＴ１のコレクタ電位が第１のフォトカプラ２０の出力信号に相当する。

状態診断回路１０は、第１のフォトカプラ２０の出力信号に基づいて、第１のスイッチＳＷ１の開閉状態を診断するように構成されている。具体的には、第１のフォトカプラ２０の出力信号が所定のしきい値を超えた場合に第１のスイッチＳＷ１が開状態であると診断するように構成されている。

また、電荷引き抜き回路１１は、第１の抵抗Ｒ１と並列に接続された第１のコンデンサＣ１及び前記第１のコンデンサＣ１と直列に接続された第２の抵抗Ｒ２とを含んでいる。

状態診断回路１０をこのように構成することで、負荷接続端子Ｔ３に接続された負荷３００が軽負荷である場合や負荷３００がオープン状態である場合にも、状態診断回路１０の応答速度が低下するのを抑制することができる。このことについて、図面を用いてさらに説明する。

図３は、比較のための負荷制御装置の構成を示し、図４は、第１のスイッチＳＷ１の開閉に応じた状態診断回路の応答波形を示す。なお、図３において、図２に示すのと同様の箇所については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。また、図４の（ａ）図は、図３に示す状態診断回路１０の応答波形を、（ｂ）図は、図２に示す本実施形態に係る状態診断回路１０の応答波形をそれぞれ示している。なお、図３において、説明の便宜上、第２のスイッチＳＷ２と第２のスイッチ駆動回路４０及び第３のフォトカプラ２２が図示されていないが、これらが設けられていてもよい。

図３に示す状態診断回路１０は、例えば、特許文献１に開示された自己診断回路と同様の構成であり、第１の抵抗Ｒ１と第１のフォトカプラ２０、つまり、第１の発光素子ＬＥＤ１及びこれと電気的に絶縁された第１のフォトトランジスタＰＴ１で構成されている。図３に示す状態診断回路１０は、図２に示す状態診断回路１０における第１のコンデンサＣ１及び第２の抵抗Ｒ２、さらに第１及び第２のダイオードＤ１，Ｄ２が設けられていない点で異なる。

図４の（ａ）図に示すように、第１のスイッチＳＷ１を開状態（オン状態）と閉状態（オフ状態）との間で繰り返し遷移させることで、状態診断回路１０は、第１のスイッチＳＷ１の状態を自己診断している。

図３に示す負荷制御装置７０の負荷接続端子Ｔ３に軽負荷が接続された場合、第１のスイッチＳＷ１の開閉に応じた負荷接続端子Ｔ３での電位変動は小さいものとなる。

一方、第１の発光素子ＬＥＤ１は、内部に形成されたＰＮ接合が容量として働き、この容量に応じた電荷が蓄積される。また、この電荷は、ＰＮ接合容量と第１の抵抗Ｒ１とで主に構成されるＲＣ回路の時定数に応じてＧＮＤ電位に流れるため、第１の発光素子ＬＥＤ１に流れる電流は急激に低下せず、第１の発光素子ＬＥＤ１は所定の期間、発光を続ける。第１のフォトトランジスタＰＴ１のコレクタ電位も第１の発光素子ＬＥＤ１の発光強度の変化に応じて徐々に上昇するため、当該コレクタ電位が、第１のスイッチＳＷ１が開状態から閉状態に遷移したと判定される所定のしきい値を超えるまでに遅延が生じる。このように、図３に示す状態診断回路１０では、第１のスイッチＳＷ１の開閉速度に対して、状態診断回路１０の出力信号である第１のフォトトランジスタＰＴ１のコレクタ電位の変化が追随せず、応答遅れが生じてしまう。このような応答遅れが生じると、第１のスイッチＳＷ１の開閉状態を正しく診断できないおそれがあった。また、応答遅れを考慮して、第１のスイッチＳＷ１の開閉周期を長くすると、自己診断時間が長引いてしまい、運転中の各種機器に適用することが難しくなっていた。

一方、図２に示す本実施形態の状態診断回路１０では、図４の（ｂ）図に示すように、第１のスイッチＳＷ１が開状態から閉状態になると、第１のコンデンサＣ１に充電されていた電荷が第２の抵抗Ｒ２を介して第１の発光素子ＬＥＤ１に流れ込む。このことにより、第１の発光素子ＬＥＤ１に流れる電流は、第１のスイッチＳＷ１が閉状態になった時点で急峻に低下し、第１のコンデンサＣ１と第２の抵抗Ｒ２とを含むＲＣ回路の時定数に応じて徐々に増加する。この期間に、第１の発光素子ＬＥＤ１に形成されたＰＮ接合に蓄積された電荷が引き抜かれてＧＮＤ電位に排出される。なお、第１のコンデンサＣ１の容量は、第１の発光素子ＬＥＤ１が所定量以上の放射光を発生させる電流量に到達しないように調整されている。

このため、第１のフォトトランジスタＰＴ１のコレクタ電位は、第１のスイッチＳＷ１が開状態から閉状態になると、急峻に立ち上がってしきい値を超えるようになり、コレクタ電位が入力される駆動制御回路５０において検知される第１のスイッチＳＷ１の開閉速度と第１のスイッチＳＷ１が実際に開閉される速度との差を縮めることができる。つまり、状態診断回路１０の応答速度が低下するのを抑制することができる。このことにより、第１のスイッチＳＷ１の自己診断時間が長引くのを抑制して、運転中の各種機器に適用することが可能となる。

また、第２の抵抗Ｒ２の抵抗値は、第１の抵抗Ｒ１の抵抗値よりも小さくなるように設定されている。

このことにより、第１のコンデンサＣ１と第２の抵抗Ｒ２とを含むＲＣ回路の時定数を小さくして、第１の発光素子ＬＥＤ１に形成されたＰＮ接合に蓄積された電荷の引き抜き速度をより高めることができる。その結果、状態診断回路１０の応答速度をより高めることができる。

また、本実施形態に係る状態診断回路１０は、アノード側が第１の抵抗Ｒ１に、カソード側が第１の発光素子ＬＥＤ１のアノード側にそれぞれ接続された第１のダイオードＤ１と、第１の発光素子ＬＥＤ１と並列にかつ第１の発光素子ＬＥＤ１のアノード側にカソード側が接続された第２のダイオードＤ２と、をさらに備えており、第２のダイオードＤ２のアノード側はグラウンド電位に電気的に接続されている。

状態診断回路１０をこのように構成することで、状態診断回路１０に逆バイアス電圧が印加された場合に、第１の発光素子ＬＥＤ１を確実に保護することができる。このことについて、図５を用いてさらに説明する。

図５は、逆バイアス電圧が印加された場合の状態診断回路の応答を示す。なお、図５において、図２に示すのと同様の箇所については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。また、図５の（ａ）図は、図３に示す状態診断回路１０を、（ｂ）図は、図２に示す状態診断回路１０をそれぞれ示している。

何らかの理由でＧＮＤ電位が浮いてしまい、この状態で、第１のスイッチＳＷ１が開状態になると、負荷３００を介して負荷接続端子Ｔ３に通常とは逆方向に電流が流れることがある。つまり、負荷接続端子Ｔ３に逆バイアス電圧が印加された状態と同じになる。この場合、図５の（ａ）図に示すように、第１の発光素子ＬＥＤ１にも逆バイアス電圧が印加されて逆方向に電流が流れてしまう。第１の発光素子ＬＥＤ１に印加される逆バイアス電圧が、第１の発光素子ＬＥＤ１の定格を越えていれば、第１の発光素子ＬＥＤ１は破壊してしまう。また、逆バイアス電圧が第１の発光素子ＬＥＤ１の定格以下であっても、第１の発光素子ＬＥＤ１の寿命が短くなるおそれがある。

一方、本実施形態の状態診断回路１０では、図５の（ｂ）図に示すように、負荷接続端子Ｔ３に逆バイアス電圧が印加された場合、第１のダイオードＤ１も逆バイアス状態となる。このため、第１の発光素子ＬＥＤ１に逆方向の電流が流れるのを抑制できる。また、第１の発光素子ＬＥＤ１と並列にかつ極性が互いに逆方向にとなるように接続された第２のダイオードＤ２を設けることで、負荷接続端子Ｔ３に逆バイアス電圧が印加された場合に、第２のダイオードＤ２に逆方向の電流が流れて、負荷接続端子Ｔ３に流入する。

このことにより、第１の発光素子ＬＥＤ１に逆方向の電流が流れるのを確実に抑制でき、第１の発光素子ＬＥＤ１の破壊を防止し、また、寿命が短くなるのを抑制できる。よって、状態診断回路１０の信頼性を高めることができる。

また、図２に示すように、本実施形態に係る負荷制御装置７０は、一端が所定の電位、この場合は固定電位端子Ｔ１に、他端が負荷接続端子Ｔ３にそれぞれ電気的に接続された第１のスイッチＳＷ１と、第１のスイッチＳＷ１を動作させる第１のスイッチ駆動回路３０と、第１のスイッチ駆動回路３０を制御する駆動制御回路５０と、第１のスイッチＳＷ１及び駆動制御回路５０にそれぞれ電気的に接続された状態診断回路１０と、を備えている。

駆動制御回路５０に入力された第１のフォトカプラ２０の出力信号に基づいて、駆動制御回路５０は第１のスイッチＳＷ１の開閉状態を診断し、第１のスイッチＳＷ１が閉状態の場合に、負荷接続端子Ｔ３に接続された負荷３００に、負荷３００のインピーダンスに応じた所定の電流が流れる。

負荷制御装置７０をこのように構成することで、負荷３００を駆動する期間中に第１のスイッチＳＷ１の状態を自己診断することができる。

負荷制御装置７０は、駆動制御回路５０に電気的に接続された第２のフォトカプラ２１、つまり、駆動制御回路５０に電気的に接続された第２の発光素子ＬＥＤ２と、第１のスイッチ駆動回路３０に電気的に接続され、第２の発光素子ＬＥＤ２と電気的に絶縁された第２のフォトトランジスタＰＴ２と、をさらに備えていてもよい。

この場合、第２のフォトトランジスタＰＴ２は、第２の発光素子ＬＥＤ２からの放射光を受光するとともに、この放射光の光量に応じた出力信号を第１のスイッチ駆動回路３０に出力し、第２のフォトトランジスタＰＴ２の出力信号、つまり、第２のフォトカプラ２１の出力信号に基づいて、第１のスイッチ駆動回路３０は第１のスイッチＳＷ１を動作させるように構成されている。

負荷制御装置７０をこのように構成することで、駆動制御回路５０と第１のスイッチＳＷ１とが電気的に絶縁された状態で、第１のスイッチＳＷ１の自己診断を行うことができるため、負荷制御装置７０の機能安全性を高められる。

負荷制御装置７０は、一端が所定の電位、この場合は固定電位端子Ｔ１に、他端が第１のスイッチＳＷ１の一端にそれぞれ電気的に接続された第２のスイッチＳＷ２と、第２のスイッチＳＷ２を動作させる第２のスイッチ駆動回路４０と、駆動制御回路５０に電気的に接続された第３のフォトカプラ２２、つまり、駆動制御回路５０に電気的に接続された第３の発光素子ＬＥＤ３と、第２のスイッチ駆動回路４０に電気的に接続され、第３の発光素子ＬＥＤ３と電気的に絶縁された第３のフォトトランジスタＰＴ３と、をさらに備えていてもよい。

この場合、第３のフォトトランジスタＰＴ３は、第３の発光素子ＬＥＤ３からの放射光を受光するとともに、この放射光の光量に応じた出力信号を第２のスイッチ駆動回路４０に出力し、第３のフォトトランジスタＰＴ３の出力信号、つまり、第３のフォトカプラ２２の出力信号に基づいて、第２のスイッチ駆動回路４０は第２のスイッチＳＷ２を動作させるように構成されている。

また、状態診断回路１０によって第１のスイッチＳＷ１が開状態であると診断された場合に、駆動制御回路５０は第３の発光素子ＬＥＤ３への電流供給を停止し、第３のフォトトランジスタＰＴ３の出力信号に基づいて、第２のスイッチ駆動回路４０は第２のスイッチＳＷ２を開状態にする。

負荷制御装置７０をこのように構成することで、第１のスイッチＳＷ１が開放故障した場合に、状態診断回路１０によって故障を検知するとともに、第１のスイッチＳＷ１の上流側、つまり、高電位側に位置する第２のスイッチＳＷ２を開状態とすることで、第１のスイッチＳＷ１が何からの理由で閉状態に復帰した場合にも、第１のスイッチＳＷ１に電流が流れることがない。このことにより、第１のスイッチＳＷ１に異常電流が流れるのを防止し、負荷３００及び負荷制御装置７０の安全保護が図れる。また、状態診断回路１０に不具合があって、第１のスイッチＳＷ１が閉状態であるにも関わらず開状態であると診断された場合にも、第１のスイッチＳＷ１に電流が流れるのを防止し、負荷３００への電流供給を停止して、負荷３００及び負荷制御装置７０の安全保護が図れる。

（実施形態２）
図６は、本実施形態に係る負荷制御装置７０の構成を、図７Ａ、図７Ｂは、第１のスイッチＳＷ１の構成をそれぞれ示す。なお、図６において、実施形態１と同様の箇所については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

図２に示す実施形態１の構成では、第１のスイッチＳＷ１は、負荷接続端子Ｔ３から見てハイサイド、つまり高電位側に配置されているが、図６に示す本実施形態の構成ではローサイド、つまり低電位側に配置されている。また、負荷３００の他端が所定の電位、この場合は２４Ｖ電源に接続され、第１のスイッチＳＷ１の一端がＧＮＤ電位に電気的に接続されている点で異なる。さらに、状態診断回路１０が第１のスイッチＳＷ１よりも固定電位端子Ｔ１に近い側に配置され、状態診断回路１０と固定電位端子Ｔ１との間にイネーブル回路８０が設けられている点で異なる。また、２４Ｖ電源と負荷３００との間に設けられたメインリレーＭＲ（第３のスイッチＭＲ）を動作させる第３のスイッチ駆動回路であるメインリレー駆動回路９０と、駆動制御回路５０に電気的に接続され、第３のスイッチ駆動回路を制御する第５のフォトカプラ２４が設けられている点で異なる。

図６に示す本実施形態の状態診断回路１０では、第１の発光素子ＬＥＤ１と並列に第１のダイオードＤ１が接続されている。ただし、第１の発光素子ＬＥＤ１の極性と逆方向となるように第１のダイオードＤ１が配置されている。

イネーブル回路８０は、第４のフォトカプラ２３と第２のダイオードＤ２とを有している。第４のフォトカプラ２３は、第１〜第３のフォトカプラ２０〜２２と同様の構造を有しており、駆動制御回路５０に電気的に接続された第４の発光素子ＬＥＤ４と、第４の発光素子ＬＥＤ４と電気的に接続された第４のフォトトランジスタＰＴ４とで構成されている。なお、第４のフォトトランジスタＰＴ４のコレクタ側は固定電位端子Ｔ１に、エミッタ側は状態診断回路１０にそれぞれ電気的に接続されている。また、第２のダイオードＤ２は、第４のフォトトランジスタＰＴ４と並列に接続されている。なお、第２のダイオードＤ２のカソード側が第４のフォトトランジスタＰＴ４の高電位側、この場合はコレクタ側に接続され、アノード側が第４のフォトトランジスタＰＴ４の低電位側、この場合はエミッタ側に接続されている。なお、第４の発光素子ＬＥＤ４及び第４のフォトトランジスタＰＴ４の構造は、それぞれ第１〜第３の発光素子ＬＥＤ１〜ＬＥＤ３及び第１〜第３のフォトトランジスタＰＴ１〜ＰＴ３の構造と同様である。

第４の発光素子ＬＥＤ４からの放射光が所定以上の光量である場合、第４のフォトトランジスタＰＴ４がオン状態となり、固定電位端子Ｔ１と状態診断回路１０における第１の発光素子ＬＥＤ１との間が電気的に導通された状態となる。また、第４の発光素子ＬＥＤ４からの放射光が所定未満の光量である場合、第４のフォトトランジスタＰＴ４がオフ状態となり、固定電位端子Ｔ１と状態診断回路１０における第１の発光素子ＬＥＤ１との間が電気的に非導通の状態となる。

通常は、第１のスイッチＳＷ１が閉状態のときに、第４の発光素子ＬＥＤ４を発光させて第４のフォトトランジスタＰＴ４をオン状態とすることで、状態診断回路１０をイネーブル状態としている。このことにより、第１のスイッチＳＷ１に開放故障が生じた場合に直ちにそれを検知することが可能となる。また、後述するように、第１のスイッチＳＷ１の自己診断時には、所定の周期で第４の発光素子ＬＥＤ４を点滅させて、状態診断回路１０のイネーブル状態とディスエーブル状態とを切り替えている。

第５のフォトカプラ２４は、第１〜第４のフォトカプラ２０〜２３と同様の構造を有しており、内部に収容された第５の発光素子ＬＥＤ５及び第５のフォトトランジスタＰＴ５の構造は、それぞれ第１〜第４の発光素子ＬＥＤ１〜ＬＥＤ４及び第１〜第４のフォトトランジスタＰＴ１〜ＰＴ４の構造と同様である。第５のフォトトランジスタＰＴ５のコレクタ電位が第５のフォトカプラ２４の出力信号となり、それぞれメインリレー駆動回路９０に入力される。第５の発光素子ＬＥＤ５からの放射光が所定以上の光量である場合、第５のフォトトランジスタＰＴ５がオン状態となり、メインリレー駆動回路９０はメインリレーＭＲを動作させてメインリレーＭＲが閉状態になるようにする。

また、図７Ａに示すように、第１のスイッチＳＷ１は、直列接続された２つのｎ型電界効果トランジスタＮＴ１，ＮＴ２で構成されている。この場合、ｎ型電界効果トランジスタＮＴ２のソース側がＧＮＤ電位に電気的に接続され、ｎ型電界効果トランジスタＮＴ１とｎ型電界効果トランジスタＮＴ１のドレイン同士が接続されている。なお、内部に形成されたＰＮ接合に起因して、ｎ型電界効果トランジスタＮＴ１，ＮＴ２は、それぞれ寄生ダイオードＰＤ１，ＰＤ２が並列に接続された等価回路となる。寄生ダイオードＰＤ１，ＰＤ２の極性が互いに逆方向となるようにｎ型電界効果トランジスタＮＴ１，ＮＴ２は直列接続される。

図６、図７Ａに示すように、第１のスイッチＳＷ１を閉状態にするとともに、メインリレーＭＲを閉状態にすることで、２４Ｖ電源に接続された負荷３００から負荷接続端子Ｔ３及び第１のスイッチＳＷ１を介してＧＮＤ電位に所定の電流が流れ、負荷３００が駆動される。

本実施形態によれば、実施形態１に示すのと同様に、所定の周期で第１のスイッチＳＷ１の開閉を繰り返すことで、状態診断回路１０により第１のスイッチＳＷ１の状態を自己診断することができる。また、実施形態１と同様に、状態診断回路１０の応答速度が低下するのを抑制することができる。このことについて、図面を用いてさらに説明する。

図８は、比較のための別の負荷制御装置７０の構成を示し、図９は、第１のスイッチＳＷ１の開閉に応じた状態診断回路の応答波形を示す。なお、図８，９において、図６に示すのと同様の箇所については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。また、図９の（ａ）図は、図８に示す状態診断回路１０の応答波形を、（ｂ）図は、図６に示す本実施形態に係る状態診断回路１０の応答波形をそれぞれ示している。

図８に示す状態診断回路１０は、第１の抵抗Ｒ１と第１のフォトカプラ２０、つまり、第１の発光素子ＬＥＤ１及びこれと電気的に絶縁された第１のフォトトランジスタＰＴ１で構成されている。図８に示す状態診断回路１０は、図６に示す状態診断回路１０における第１のコンデンサＣ１及び第２の抵抗Ｒ２、さらに第１のダイオードＤ１が設けられていない点で異なる。

図９の（ａ）図に示すように、第１のスイッチＳＷ１を所定の周期で繰り返し開閉させるとともに、この開閉動作に連動してイネーブル回路８０をオンオフすることで、状態診断回路１０はイネーブル状態とディスエーブル状態とが切り替わり、第１のスイッチＳＷ１の状態が自己診断される。なお、負荷３００及び負荷制御装置７０の安全保護のため、第１のスイッチＳＷ１とイネーブル回路８０の第４のフォトカプラ２３とを同時に状態遷移させる制御は行われず、第１のスイッチＳＷ１が閉状態になった時点から所定の期間ｔｄｅａｄをあけて、第４のフォトカプラ２３の出力信号が低電位となるように、また、第４のフォトカプラ２３の出力信号が低電位から高電位になった時点から期間ｔｄｅａｄをあけて、第１のスイッチＳＷ１が開状態となるようにして第１のスイッチＳＷ１の自己診断が行われる。

図８に示す負荷制御装置７０の負荷接続端子Ｔ３に軽負荷が接続された場合、第１のスイッチＳＷ１の開閉に応じた負荷接続端子Ｔ３での電位変動は小さいものとなる。

この場合、第１の発光素子ＬＥＤ１に蓄積された残留電荷の影響で、図８に示す状態診断回路１０では、図３に示す状態診断回路１０と同様に、第１のスイッチＳＷ１の開閉速度に対して、状態診断回路１０の出力信号である第１のフォトトランジスタＰＴ１のコレクタ電位の変化が追随せず、応答遅れが生じてしまう。

一方、図６に示す本実施形態の状態診断回路１０では、図９の（ｂ）図に示すように、第１のスイッチＳＷ１が開状態から閉状態になると、第１のコンデンサＣ１に充電されていた電荷は、第１のダイオードＤ１および第２のダイオードＤ２を通って、固定電位端子Ｔ１が接続された電源ライン側へ放電される。この電荷の流れに合わせて、第１の発光素子ＬＥＤ１に流れていた電流から電荷が一緒に引抜かれる。このとき、第１のダイオードＤ１は、第１の発光素子ＬＥＤ１に発生する逆電圧から第１の発光素子ＬＥＤ１を保護する。よって、第１の発光素子ＬＥＤ１に形成されたＰＮ接合に蓄積された電荷が引き抜かれるため、第１のフォトトランジスタＰＴ１のコレクタ電位は、第１のスイッチＳＷ１が開状態から閉状態になると、急峻に立ち上がってしきい値を超えるようになる。その結果、コレクタ電位が入力される駆動制御回路５０において検知される第１のスイッチＳＷ１の開閉速度と第１のスイッチＳＷ１が実際に開閉される速度との差を縮めることができる。つまり、状態診断回路１０の応答速度が低下するのを抑制することができる。このことにより、第１のスイッチＳＷ１の自己診断時間が長引くのを抑制して、運転中の各種機器に適用することが可能となる。

また、状態診断回路１０は、第１の発光素子ＬＥＤ１と並列に接続され、かつ第１の発光素子ＬＥＤ１と極性が逆方向になるように配置された第１のダイオードＤ１を備え、イネーブル回路８０は、第４のフォトトランジスタＰＴ４と並列にかつ第４のフォトトランジスタＰＴ４の高電位側にカソード側が接続された第２のダイオードＤ２を備えている。

状態診断回路１０及びイネーブル回路８０をこのように構成することで、何らかの理由で負荷接続端子Ｔ３が高電位となった場合に、第１のダイオードＤ１及び第２のダイオードＤ２を経由して固定電位端子Ｔ１側に電流が流れるため、第１の発光素子ＬＥＤ１や第４のフォトトランジスタＰＴ４が破壊されたり、これらの寿命が短くなったりするのを抑制できる。

また、本実施形態に係る負荷制御装置７０は、負荷３００の他端に接続されたメインリレーＭＲ（第３のスイッチＭＲ）を駆動するためのメインリレー駆動回路９０（第３のスイッチ駆動回路９０）と、第５のフォトカプラ２４とを備えている。第５のフォトカプラ２４は、駆動制御回路５０に電気的に接続された第５の発光素子ＬＥＤ５と、メインリレー駆動回路９０に電気的に接続され、第５の発光素子ＬＥＤ５と電気的に絶縁された第５のフォトトランジスタＰＴ５と、を有している。

第５のフォトトランジスタＰＴ５は、第５の発光素子ＬＥＤ５からの放射光を受光し、この放射光の光量に応じてオン状態とオフ状態との間を遷移するとともに、出力信号、つまり、第５のフォトカプラ２４の出力信号をメインリレー駆動回路９０に出力し、第５のフォトカプラ２４の出力信号に基づいて、メインリレー駆動回路９０はメインリレーＭＲを動作させる。

メインリレーＭＲは負荷制御装置７０の外部にあって負荷３００に電力を供給するためのスイッチであるが、本実施形態に示すように、メインリレーＭＲと駆動制御回路５０との電気的絶縁を保ちつつ、メインリレーＭＲの開閉を制御可能とすることで、負荷制御装置７０の内部、特に第１のスイッチＳＷ１に何らかの異常が生じた場合に、負荷３００を介して負荷制御装置７０に電流が流れ込むのを防止して、負荷制御装置７０を保護できる。

また、駆動制御回路５０によって第１のスイッチＳＷ１が開状態であると診断された場合、第５のフォトカプラ２４の出力信号に基づいて、メインリレー駆動回路９０はメインリレーＭＲが開状態となるように動作させる。

このようにすることで、負荷制御装置７０に電流が流れ込むのを確実に防止して、負荷制御装置７０を保護できる。

また、第１のスイッチＳＷ１は、２つのｎ型電界効果トランジスタＮＴ１，ＮＴ２が直列に接続された構成であり、２つのｎ型電界効果トランジスタＮＴ１，ＮＴ２はそれぞれが有する寄生ダイオードＰＤ１，ＰＤ２の極性が互いに逆方向となるように接続されている。

このようにすることで、何らかの理由で第１のスイッチＳＷ１に逆バイアス電圧が印加された場合に、第１のスイッチＳＷ１に逆方向の電流が流れて、第１のスイッチＳＷ１が破壊されたり、寿命が短くなったりするのを抑制できる。図７Ａを用いてさらに説明する。

負荷制御装置７０が正常に動作している場合、図７Ａの左側に示すように、第１のスイッチＳＷ１は順バイアス状態であり、ｎ型電界効果トランジスタＮＴ１，ＮＴ２にそれぞれ電流が流れる。

一方、図７Ａの右側に示すように、第１のスイッチＳＷ１が逆バイアス状態となった場合、ｎ型電界効果トランジスタＮＴ１，ＮＴ２はそれぞれオフ状態となる。また、寄生ダイオードＰＤ１，ＰＤ２の極性が互いに逆方向であるため、寄生ダイオードＰＤ１，ＰＤ２を介して電流が逆方向に流れることがない。従って、第１のスイッチＳＷ１には電流が流れず、第１のスイッチＳＷ１の破壊や寿命の短命化を抑制できる。

（その他の実施形態）
なお、実施形態１，２にそれぞれ示す構成要素を組み合わせて、新たな実施形態とすることもできる。

例えば、図２に示す構成において、負荷接続端子Ｔ３と負荷３００との間にメインリレーＭＲを設けるとともに、メインリレー駆動回路９０と第５のフォトカプラ２４とを追加することで、メインリレーＭＲと駆動制御回路５０との電気的絶縁を保ちつつ、メインリレーＭＲの開閉を制御可能とすることができる（図１０参照）。このことにより、第１のスイッチＳＷ１に何らかの異常が生じた場合に、負荷３００に異常電流が流れ込むのを防止して、負荷３００を保護できる。なお、図１０に示す構成から。第２のスイッチＳＷ２と第２のスイッチ駆動回路４０と第３のフォトカプラ２２とを省略するようにしてもよい。この場合は、第１のスイッチＳＷ１は、固定電位端子Ｔ１に直接に接続される。

また、実施形態２に示す構成において、状態診断回路１０よりも固定電位端子Ｔ１に近い側に別のスイッチとこれを駆動するフォトカプラ及びスイッチ駆動回路が設けられていてもよい。

また、図７Ａにおいて、２つのｎ型電界効果トランジスタＮＴ１，ＮＴ２を直列接続することで第１のスイッチＳＷ１を構成する例を示したが、２つ以上のｎ型電界効果トランジスタを直列接続することで第１のスイッチＳＷ１を構成するようにしてもよい。この場合、少なくとも２つのｎ型電界効果トランジスタにおいて、それぞれが有する寄生ダイオードの極性が互いに逆方向となるように直列接続されていれば、第１のスイッチＳＷ１に逆バイアス電圧が印加された場合に電流が流れない。よって、実施形態２に示すのと同様の効果を奏することができる。

あるいは、図７Ｂに示すように、ｎ型電界効果トランジスタＮＴ１に替えてＰＮダイオードＰＮＤをｎ型電界効果トランジスタＮＴ２と直列接続することで第１のスイッチＳＷ１を構成してもよい。この場合、ＰＮダイオードＰＮＤの極性と、ｎ型電界効果トランジスタＮＴ２が有する寄生ダイオードＰＤ２の極性が互いに逆方向となるように直列接続されていれば、第１のスイッチＳＷ１に逆バイアス電圧が印加された場合に電流が流れない。よって、図７Ａに示した構成と同様の効果を奏することができる。

なお、実施形態１，２において、第１〜第５のフォトカプラ２０〜２４の内部の受光素子がフォトトランジスタである構成を例に取って説明したが、特にこれに限定されず、他の構成であってもよい。受光素子が、発光素子からの放射光を受光し、当該放射光の光量に応じてオン状態とオフ状態との間を遷移するように構成されていればよい。

また、図８に示す第１のスイッチＳＷ１を、例えば、接点式のリレースイッチとしてもよいし、図２に示す第１のスイッチＳＷ１を図７Ａ，図７Ｂに示す構成としてもよい。

また、実施形態１，２において、一組の発光素子と受光素子とを１つのパッケージで形成したフォトカプラを用いたが、個別の発光素子と個別の受光素子とを所定の距離内に近接配置させるようにしてもよい。

本発明に係るスイッチの状態診断回路は、応答速度の低下を抑制でき、自動車用機器や産業用機器に適用する上で有用である。

１０ 状態診断回路
１１ 電荷引き抜き回路
２０〜２４ 第１〜第５のフォトカプラ
３０ 第１のスイッチ駆動回路
４０ 第２のスイッチ駆動回路
５０ 駆動制御回路
６０ 絶縁電源
７０ 負荷制御装置
８０ イネーブル回路
９０ メインリレー駆動回路（第３のスイッチ駆動回路）
１００ メイン制御装置
１１０〜１１２ サブ制御装置
２００〜２０３ 機能安全回路
２１０〜２１３ 自己診断回路
３００ 負荷
１０００ 車両制御装置
Ｃ１ 第１のコンデンサ
Ｄ１ 第１のダイオード
Ｄ２ 第２のダイオード
ＬＥＤ１〜ＬＥＤ５ 第１〜第５の発光素子
ＭＲ メインリレー（第３のスイッチ）
ＮＴ１，ＮＴ２ ｎ型電界効果トランジスタ
ＰＤ１，ＰＤ２ 寄生ダイオード
ＰＮＤ ＰＮダイオード
ＰＴ１〜ＰＴ５ 第１〜第５のフォトトランジスタ（受光素子）
Ｒ１ 第１の抵抗
Ｒ２ 第２の抵抗
ＳＷ１ 第１のスイッチ
ＳＷ２ 第２のスイッチ
Ｔ１ 固定電位端子
Ｔ２ 外部電源接続端子
Ｔ３ 負荷接続端子
Ｔ４ ＧＮＤ端子

Claims (18)

1. 第１のスイッチの開閉状態を診断する状態診断回路であって、
   前記第１のスイッチの負荷側端子に接続された第１の抵抗と、
   前記第１の抵抗と直列に接続された第１の発光素子と、
   前記第１の発光素子と電気的に絶縁され、前記第１の発光素子からの放射光を受光し、当該放射光の光量に応じてオン状態とオフ状態との間を遷移する第１の受光素子と、
   前記第１の抵抗と並列に接続され、前記第１のスイッチが開状態の場合に前記第１の発光素子に蓄積された電荷を引き抜くための電荷引き抜き回路と、を備え、
   前記第１の受光素子の出力信号に基づいて、前記第１のスイッチの開閉状態を診断することを特徴とするスイッチの状態診断回路。
2. 請求項１に記載のスイッチの状態診断回路において、
   前記電荷引き抜き回路は、第１のコンデンサと、前記第１のコンデンサと直列に接続された第２の抵抗とを含むことを特徴とするスイッチの状態診断回路。
3. 請求項２に記載のスイッチの状態診断回路において、
   前記第２の抵抗の抵抗値は前記第１の抵抗の抵抗値よりも小さいことを特徴とするスイッチの状態診断回路。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載のスイッチの状態診断回路において、
   前記第１の受光素子の出力信号が所定のしきい値を超えた場合に前記第１のスイッチが開状態であると診断することを特徴とするスイッチの状態診断回路。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載のスイッチの状態診断回路において、
   アノード側が前記第１の抵抗に、カソード側が前記第１の発光素子のアノード側にそれぞれ接続された第１のダイオードと、
   前記第１の発光素子と並列にかつ前記第１の発光素子のアノード側にカソード側が接続された第２のダイオードと、をさらに備え、
   前記第２のダイオードのアノード側はグラウンド電位に電気的に接続されていることを特徴とするスイッチの状態診断回路。
6. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載のスイッチの状態診断回路において、
   前記第１の発光素子と並列に接続され、かつ前記第１の発光素子と極性が逆方向になるように配置された第２のダイオード、をさらに備えていることを特徴とするスイッチの状態診断回路。
7. 一端が所定の電位に、他端が負荷接続端子にそれぞれ電気的に接続された第１のスイッチと、
   前記第１のスイッチを動作させる第１のスイッチ駆動回路と、
   前記第１のスイッチ駆動回路を制御する駆動制御回路と、
   前記第１のスイッチ及び前記駆動制御回路にそれぞれ電気的に接続された請求項１ないし５のいずれか１項に記載の状態診断回路と、を備え、
   前記駆動制御回路に入力された前記第１の受光素子の出力信号に基づいて、前記駆動制御回路は前記第１のスイッチの開閉状態を診断し、
   前記第１のスイッチが閉状態の場合に、一端が前記負荷接続端子に接続された負荷に所定の電流が流れることを特徴とする負荷制御装置。
8. 請求項７に記載の負荷制御装置において、
   前記駆動制御回路に電気的に接続された第２の発光素子と、
   前記第１のスイッチ駆動回路に電気的に接続され、前記第２の発光素子と電気的に絶縁された第２の受光素子と、をさらに備え、
   前記第２の受光素子は、前記第２の発光素子からの放射光を受光し、当該放射光の光量に応じてオン状態とオフ状態との間を遷移するとともに、出力信号を前記第１のスイッチ駆動回路に出力し、
   前記第２の受光素子の出力信号に基づいて、前記第１のスイッチ駆動回路は前記第１のスイッチを動作させることを特徴とする負荷制御装置。
9. 請求項７または８に記載の負荷制御装置において、
   一端が前記所定の電位に、他端が前記第１のスイッチの一端にそれぞれ電気的に接続された第２のスイッチと、
   前記第２のスイッチを動作させる第２のスイッチ駆動回路と、
   前記駆動制御回路に電気的に接続された第３の発光素子と、
   前記第２のスイッチ駆動回路に電気的に接続され、前記第３の発光素子と電気的に絶縁された第３の受光素子と、をさらに備え、
   前記第３の受光素子は、前記第３の発光素子からの放射光を受光し、当該放射光の光量に応じてオン状態とオフ状態との間を遷移するとともに、出力信号を前記第２のスイッチ駆動回路に出力し、
   前記第３の受光素子の出力信号に基づいて、前記第２のスイッチ駆動回路は前記第２のスイッチを動作させることを特徴とする負荷制御装置。
10. 請求項９に記載の負荷制御装置において、
    前記状態診断回路によって前記第１のスイッチが開状態であると診断された場合に、
    前記駆動制御回路は前記第３の発光素子への電流供給を停止し、
    前記第３の受光素子の出力信号に基づいて、前記第２のスイッチ駆動回路は前記第２のスイッチを開状態にすることを特徴とする負荷制御装置。
11. 一端がグラウンド電位に、他端が負荷接続端子にそれぞれ電気的に接続された第１のスイッチと、
    前記第１のスイッチを動作させる第１のスイッチ駆動回路と、
    前記第１のスイッチ駆動回路を制御する駆動制御回路と、
    前記第１のスイッチ及び前記駆動制御回路にそれぞれ電気的に接続された請求項６に記載の状態診断回路と、を備え、
    前記駆動制御回路に入力された前記第１の受光素子の出力信号に基づいて、前記駆動制御回路は前記第１のスイッチの開閉状態を診断し、
    前記第１のスイッチが閉状態の場合に、一端が前記負荷接続端子に、他端が所定の電位にそれぞれ接続された負荷に所定の電流が流れることを特徴とする負荷制御装置。
12. 請求項１１に記載の負荷制御装置において、
    前記状態診断回路と所定の電位に接続された固定電位端子との間に前記状態診断回路をイネーブル状態にするためのイネーブル回路が設けられていることを特徴とする負荷制御装置。
13. 請求項１２に記載の負荷制御装置において、
    前記イネーブル回路は、
    前記駆動制御回路に電気的に接続された第４の発光素子と、
    前記固定電位端子及び前記状態診断回路にそれぞれ電気的に接続され、前記第４の発光素子と電気的に絶縁される一方、前記第４の発光素子からの放射光を受光してオン状態とオフ状態との間を遷移する第４の受光素子と、をさらに備え、
    前記第４の受光素子がオン状態である場合に、前記固定電位端子と前記状態診断回路との間は電気的に導通状態となり、
    前記第４の受光素子がオフ状態である場合に、前記固定電位端子と前記状態診断回路との間は電気的に非導通状態となることを特徴とする負荷制御装置。
14. 請求項１３に記載の負荷制御装置において、
    前記イネーブル回路は、前記第４の受光素子と並列にかつ前記第４の受光素子の高電位側にカソード側が接続された第２のダイオード、をさらに備えていることを特徴とする負荷制御装置。
15. 請求項７ないし１４のいずれか１項に記載の負荷制御装置において、
    前記負荷に接続された第３のスイッチを駆動するための第３のスイッチ駆動回路と、
    前記駆動制御回路に電気的に絶縁された第５の発光素子と、
    前記第３のスイッチ駆動回路に電気的に接続され、前記第５の発光素子と電気的に絶縁された第５の受光素子と、をさらに備え、
    前記第５の受光素子は、前記第５の発光素子からの放射光を受光し、当該放射光の光量に応じてオン状態とオフ状態との間を遷移するとともに、出力信号を前記第３のスイッチ駆動回路に出力し、
    前記第５の受光素子の出力信号に基づいて、前記第３のスイッチ駆動回路は前記第３のスイッチを動作させることを特徴とする負荷制御装置。
16. 請求項１５に記載の負荷制御装置において、
    前記駆動制御回路によって前記第１のスイッチが開状態であると診断された場合、前記第５の受光素子の出力信号に基づいて、前記第３のスイッチ駆動回路は前記第３のスイッチが開状態となるように動作させることを特徴とする負荷制御装置。
17. 請求項７ないし１６のいずれか１項に記載の負荷制御装置において、
    前記第１のスイッチは、直列に接続された複数の一導電型電界効果トランジスタを含み、
    少なくとも２つの前記一導電型電界効果トランジスタは、それぞれが有する寄生ダイオードの極性が互いに逆方向となるように接続されていることを特徴とする負荷制御装置。
18. 請求項７ないし１６のいずれか１項に記載の負荷制御装置において、
    前記第１のスイッチは、直列に接続されたダイオードと一導電型電界効果トランジスタを含み、
    前記ダイオードは、前記一導電型電界効果トランジスタが有する寄生ダイオードと互いに極性が逆方向となるように、前記一導電型電界効果トランジスタに接続されていることを特徴とする負荷制御装置。

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