JP4072104B2 - 多重化装置 - Google Patents

Description

本発明は、常用系の第１回路と待機系の第２回路とを備え、常用系の第１回路からの電力信号が異常なときに常用系の第１回路に代えて待機系の第２回路からの電力信号を出力するように切り換える構成を備えた多重化装置に関する。

この種の多重化装置において、電力信号を切り換えるスイッチを半導体デバイスで構成すると、スイッチの信頼性は高いが、電力信号が高出力の場合、該高出力の電力信号が長時間半導体デバイスに通電される構成となるため、半導体デバイスのオン抵抗による損失が問題となっている。
また、多重化装置における切り換え用のスイッチの切り換え頻度は、１日１〜２回程度と非常に少ないので、オン抵抗が無いリレーを用いることが最適である。実際、下記の特許文献１、２には、リレーを用いた多重化装置が開示されている。
特開平７−１０７７９５号公報 特開平６−２５９２７６号公報

さて、一般的な構成のリレーの故障率（即ち、常閉接点をオフできない確率）は、約１０^-7程度である。この故障率は、リレー単独の部品としてみれば、かなり小さいと判断できるが、多重化装置のシステム全体の故障率が上記リレーの故障率で決まってしまうことを考えると、即ち、多重化装置全体の故障率としてみると、十分に小さいとはいえない。このため、リレーを用いる多重化装置において、故障率をより一層小さくすることが求められている。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、電力信号切り換え用のスイッチとしてリレーを用いる多重化装置において、故障率をより一層小さくすることができる多重化装置を提供するにある。

本発明の多重化装置においては、常用電力信号に代えて待機電力信号を出力するように切り換える電力切換回路を、２個のリレーを備え、これら２個のリレーの常閉接点を直列に接続して直列回路を形成し、前記２個のリレーの常開接点を並列に接続して並列回路を形成し、前記直列回路の一端に前記常用電力信号を入力し、前記並列回路の一端に前記待機電力信号を入力し、前記直列回路の他端と前記並列回路の他端を接続し且つこの接続点から電力信号を出力するように構成し、前記常用電力信号が正常であるときには、前記２個のリレーの励磁コイルを通電しないようにし、前記常用電力信号が異常になったときに、前記２個のリレーの励磁コイルを通電するように構成した。この構成によれば、電力信号切り換え用のスイッチとしてリレーを用いる多重化装置でありながら、リレーを２個備えて２重化すると共に、これら２個のリレーの常閉接点を直列に接続して直列回路を形成したので、直列接続された２個の常閉接点（直列回路）の遮断できない故障率は、約（１０^−７）^２＝１０^−１４程度となり、遮断できない故障率を大幅に小さくすることができる。

また、上記構成の場合、２個のリレーのうちの一方のリレーをトランスファ接点型のリレーで構成し、このトランスファ接点型のリレーのトランスファ接点の常閉接点を直列回路の他端側の常閉接点とし、トランスファ接点の常開接点を他方のリレーの常開接点に並列に接続することも好ましい構成である。

以下、本発明の第１の実施例について、図１ないし図３を参照しながら説明する。本実施例は、道路に敷設されたループアンテナと車両に搭載されたコイルアンテナとの間で通信するシステムにおけるループアンテナに接続された送信回路に、本発明を適用したものである。
まず、図１は、本実施例の電気的構成を概略的に示すブロック図である。この図１に示すように、本実施例の送信回路（多重化装置）１の出力端子ｄは、道路に敷設されたループアンテナ２にハイブリットトランス３を介して接続されている。上記送信回路１は、常用送信回路（第１回路）４と、待機送信回路（第２回路）５と、モニタ切換回路６とを備えて構成されている。

常用送信回路４は、常用電力信号を出力端子ｂから出力する機能を有しており、４８Ｖ電源回路７と、入力回路８と、電力増幅回路９とから構成されている。この場合、入力回路８には例えば１８９ｋＨｚの周波数を基準に周波数変調された正弦波が入力される。そして、電力増幅回路９には、入力回路８からの正弦波が与えられて、ここで電力増幅され、出力端子ｂから常用電力信号が出力されるように構成されている。

また、待機送信回路５は、待機電力信号を出力端子ｃから出力する機能を有しており、電気回路構成及び動作は上記常用送信回路４と同じである。即ち、待機送信回路５は、４８Ｖ電源回路７と、入力回路８と、電力増幅回路９とから構成されている。
さて、モニタ切換回路６は、常用送信回路４からの常用電力信号と、待機送信回路５からの待機電力信号とを入力し、常用電力信号が正常なときは常用電力信号を出力端子（送信回路１の出力端子）ｄから出力し、常用電力信号が異常なときは常用電力信号に代えて待機電力信号を出力端子（送信回路１の出力端子）ｄから出力するように切り換える機能を有している。また、モニタ切換回路６は、常用電力信号をモニタした２つのモニタ信号を出力端子ｅ１及びｅ２から出力すると共に、待機電力信号をモニタしたモニタ信号を出力端子ｆから出力する機能を有している。

上記モニタ切換回路６（送信回路１）の出力端子ｅ１、ｅ２、ｆは、制御ＥＣＵ（図示しない）に接続されており、上記各モニタ信号が制御ＥＣＵに与えられるように構成されている。尚、モニタ切換回路６には、常用送信回路４及び待機送信回路５の各４８Ｖ電源回路７からそれぞれダイオード１０を介してＤＣ４８Ｖの電源が供給されるように構成されている。

次に、モニタ切換回路６の具体的構成について、図２を参照して説明する。モニタ切換回路６は、電力切換回路１１と、第１モニタ回路１２と、第１の２モニタ回路１２−２と、第２モニタ回路１３とを備えて構成されている。電力切換回路１１は、２個のリレー１４、１５を備えており、これら２個のリレー１４、１５の常閉接点（ブレーク接点）１４ｂ、１５ｂを直列に接続して直列回路１６を形成すると共に、２個のリレー１４、１５の常開接点（メーク接点）１４ａ、１５ａを並列に接続して並列回路１７を形成している。

そして、直列回路１６の一端１６ａを常用送信回路４の出力端子ｂに接続して、該一端１６ａに常用電力信号を入力するように構成している。更に、並列回路１７の一端１７ａを待機送信回路５の出力端子ｃに接続して、該一端１７ａに待機電力信号を入力するように構成している。また、直列回路１６の他端１６ｂと並列回路１７の他端１７ｂを接続し、且つ、この接続点をモニタ切換回路６の出力端子ｄに接続して、該接続点から電力信号を出力するように構成している。

更に、ＤＣ４８Ｖの電源ライン１８とグランドライン１９との間には、リレー１４の励磁コイル１４ｃとトランジスタ２０が直列に接続されていると共に、この直列回路と並列に、リレー１５の励磁コイル１５ｃとトランジスタ２１が直列に接続されている。
一方、第１モニタ回路１２、第１の２モニタ回路１２−２及び第２モニタ回路１３は、電気回路構成が同じであり、それぞれ整流回路と比較回路とで構成されており、ここでは、第１モニタ回路１２について、図３に従って具体的に説明する。第１モニタ回路１２は、ダイオード２２、抵抗２３〜２８、可変抵抗２９、コンデンサ３０、３１、コンパレータ３２を図示するように接続して構成されている。そして、第１の２モニタ回路１２−２及び第２モニタ回路１３も、上記第１モニタ回路１２と同様に構成されている。

この場合、第１モニタ回路１２の入力端子（ダイオード２２の図２中の左端）１２ａと第１の２モニタ回路１２−２の入力端子１２−２ａを共通にして、常用送信回路４の出力端子ｂに接続し、もって、入力端子１２ａ、１２−２ａに常用電力信号を入力するように構成している。更に、第２モニタ回路１３の入力端子（ダイオード２２の図２中の左端）１３ａを、待機送信回路５の出力端子ｃに接続して該入力端子１３ａに待機電力信号を入力するように構成している。

また、第１モニタ回路１２のコンパレータ３２の出力から導出された端子を、電力切換回路１１のトランジスタ２０のベースに抵抗３３を介して接続している。尚、上記トランジスタ２０のベースとコレクタとの間には、ツエーダイオード３５が接続されていると共に、トランジスタ２０のベースとエミッタとの間には、抵抗３７が接続されている。そして、トランジスタ２０のコレクタから導出された端子を、モニタ切換回路６の出力端子ｅ１としている。

同様にして、第１の２モニタ回路１２−２のコンパレータ３２の出力から導出された端子を、電力切換回路１１のトランジスタ２１のベースに抵抗３４を介して接続している。尚、上記トランジスタ２１のベースとコレクタとの間には、ツエーダイオード３６が接続されていると共に、トランジスタ２１のベースとエミッタとの間には、抵抗３８が接続されている。そして、トランジスタ２１のコレクタから導出された端子を、モニタ切換回路６の出力端子ｅ２としている。

更に、第２モニタ回路１３のコンパレータ３２の出力から導出された端子を、モニタ切換回路６の出力端子ｆとしている。前記出力端子ｅ１、ｅ２と出力端子ｆは、位相が逆になっている。
上記第１モニタ回路１２においては、入力端子１２ａに入力した常用電力信号（正弦波信号）を整流して直流電圧に変換し、この直流電圧と設定値（予め決められた電圧値）とを比較し、上記直流電圧の電圧レベルが設定値以上のときに（即ち、常用電力信号が正常であるときに）、コンパレータ３２はローレベルになり、トランジスタ２０がオフして出力端子ｅ１からモニタ信号としてハイレベル信号が出力されるように構成されている。

同様に、第１の２モニタ回路１２−２においても、常用電力信号が正常なときには、コンパレータ３２はローレベルになり、トランジスタ２１がオフして出力端子ｅ２からモニタ信号としてハイレベル信号が出力されるように構成されている。
そして、このとき（即ち、常用電力信号が正常であるとき）には、電力切換回路１１の２個のトランジスタ２０、２１はオフしており、リレー１４、１５の励磁コイル１４ｃ、１５ｃは通電されていない。

この場合、リレー１４、１５の常閉接点１４ｂ、１５ｂがオンしていると共に、常開接点１４ａ、１５ａがオフしており、もって、常用電力信号がモニタ切換回路６の出力端子ｄから出力されている。
これに対して、第１モニタ回路１２及び第１の２モニタ回路１２−２の入力端子１２ａ及び１２−２ａに入力した常用電力信号（正弦波信号）を整流して得られた直流電圧の電圧レベルが設定値よりも小さくなると（即ち、常用電力信号が異常になると）、各コンパレータ３２がハイレベルになり、トランジスタ２０、２１がオンして出力端子ｅ１、ｅ２からモニタ信号としてローレベル信号が出力されるように構成されている。

そして、このとき（即ち、常用電力信号が異常になったとき）には、電力切換回路１１の２個のトランジスタ２０、２１がオンすることにより、リレー１４、１５の励磁コイル１４ｃ、１５ｃが通電されるようになる。
これにより、リレー１４、１５の常閉接点１４ｂ、１５ｂがオフすると共に、常開接点１４ａ、１５ａがオンするようになる。この結果、常用電力信号に代えて待機電力信号がモニタ切換回路６の出力端子ｄから出力されるように切り換わる構成となっている。

また、第２モニタ回路１３においては、入力端子１３ａに入力した待機電力信号（正弦波信号）を整流して直流電圧に変換し、この直流電圧と設定値（予め決められた電圧値）とを比較し、上記直流電圧の電圧レベルが設定値以上のときに（即ち、待機電力信号が正常であるときに）、コンパレータ３２がローレベルになり出力端子ｆからモニタ信号としてローレベル信号が出力される構成となっている。出力端子ｆは、前記出力端子ｅ１及びｅ２とは逆の信号レベルになっている。

これに対して、第２モニタ回路１３の入力端子１３ａに入力した待機電力信号（正弦波信号）を整流して得られた直流電圧の電圧レベルが設定値よりも小さくなると（即ち、待機電力信号が異常になると）、コンパレータ３２がハイレベルになり出力端子ｆからモニタ信号としてハイレベル信号が出力されるように構成されている。
尚、第１モニタ回路１２、第１の２モニタ回路１２−２及び第２モニタ回路１３の抵抗２５とコンデンサ３０は、電源投入時にコンパレータ３２がハイレベルにならないようにするための時限回路である。

ここで、上記した構成の送信回路１の故障率について、見当してみる。故障率は、Ｆｉｔ数で一般的に表わされる。１Ｆｉｔは、１０^-9／ｈであり、１時間当たりに故障する個数である。送信回路１の常用送信回路４及び待機送信回路５の各故障率は、それぞれ１００００Ｆｉｔ以内である。従って、２重系にすることにより、常用送信回路４と待機送信回路５が同時に故障する確率は、
１０⁴＊１０^-9＊１０⁴＊１０^-9＝１０^-10
となり、０．１Ｆｉｔになり、格段に信頼性が向上していることがわかる。

しかし、モニタ切換回路６の故障率が大きいと、送信回路１全体の故障率も大きくなってしまう。そこで、本実施例においては、モニタ切換回路６の信頼性を向上させることを目的としている。
即ち、本実施例では、モニタ切換回路６の第１モニタ回路１２と第１の２モニタ回路１２−２と電力切換回路１１は、２重系になっている。そして、上記電力切換回路１１のリレー１４、１５を除いたモニタ切換回路６の故障率は前記常用送信回路４及び待機送信回路５に比較して大幅に回路素子数が少ないため故障率は１００Ｆｉｔ程度であるため、（１０²＊１０^-9）²＝１０^-5Ｆｉｔとなる。

次に、リレー１４、１５の故障率について説明する。リレー１４の常開接点１４ａとリレー１５の常開接点１５ａが並列接続されていることから、どちらかが開放から閉成されないという故障率は、各々の故障率の乗算になるため、リレーの故障率を１０^-7とすると１０^-14となり、１０^-5Ｆｉｔとなる。
一方、リレー１４の常閉接点１４ｂとリレー１５の常閉接点１５ｂを、仮に並列接続させた場合、上記２つの常閉接点１４ｂ、１５ｂの目的は常用送信回路４からの電力信号を遮断することであるため、遮断しない確率（故障率）は各接点の遮断しない確率の論理和となり、信頼性が向上しないことがわかる。

これに対して、本実施例においては、リレー１４の常閉接点１４ｂとリレー１５の常閉接点１５ｂを直列接続したので、遮断しない確率（故障率）は各接点の遮断しない確率の論理積となり、信頼性が格段に向上する。
尚、常閉接点１４ｂ、１５ｂを直列に接続した場合の問題点として考えられることは、常用動作の場合に、本来は閉成しなければならないときに、故障して開放してしまうような場合の故障率の大きさである。この故障率が大きいと、２個の接点１４ｂ、１５ｂを直列に接続しているため、故障率が２倍となり、問題となる。しかし、リレーハンドブック（森北出版１９９２年）によると、コイルに通電しないときに常閉接点が開放してしまう故障率は、コイルに通電したときの故障率よりも格段に小さい。

しかも、故障して常閉接点１４ｂまたは常閉接点１５ｂが閉成から開放したとしても、常開接点１４ａまたは常開接点１４ｂが閉成して、常用送信回路４から待機送信回路５に切り換わることから、支障がない。また、上記リレーハンドボックによると、コイルに通電しないときに、常閉接点が接点不良になる故障率も格段に小さい。
ところで、２重系においては、前述したように、常用送信回路４と待機送信回路５とが同時に故障する故障率が各回路の故障率の積となり、システム全体の故障率が格段に小さくなる。このため、常用送信回路４と待機送信回路５を、常時、制御ＥＣＵによって第１モニタ回路１２、第１の２モニタ回路１２−２と第２モニタ回路１３を介してモニタしておく必要がある。そして、故障を検知したら、すぐに修理することが必要となる。

また、モニタ切換回路６は、１ヶ月に１回か、半年に１回の点検が必要である。これは、第１モニタ回路１２、第１の２モニタ回路１２−２、第２モニタ回路１３及び各接点１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂが、故障していても正常な信号を出力している場合があるためである。
このような構成の本実施例においては、常用電力信号に代えて待機電力信号を出力するように切り換える電力切換回路１１を、２個のリレー１４、１５を備え、これら２個のリレー１４、１５の常閉接点１４ｂ、１５ｂを直列に接続して直列回路１６を形成し、２個のリレー１４、１５の常開接点１４ａ、１５ａを並列に接続して並列回路１７を形成し、直列回路１６の一端に常用電力信号を入力し、並列回路１７の一端に待機電力信号を入力し、直列回路１６の他端と並列回路１７の他端を接続し且つこの接続点から電力信号を出力するように構成した。

この構成によれば、電力信号切り換え用のスイッチとしてリレーを用いる多重化装置でありながら、リレーを２個備えて２重化すると共に、これら２個のリレー１４、１５の常閉接点１４ｂ、１５ｂを直列に接続して直列回路１６を形成したので、直列接続された２個の常閉接点１４ｂ、１５ｂ（直列回路１６）の故障率は、約（１０^-7）²＝１０^-14程度となり、リレーが１個の構成に比べて、故障率を大幅に小さくすることができる。

図４は、本発明の第２の実施例を示すものである。尚、第１の実施例と同一部分には、同一符号を付している。この第２の実施例では、モニタ切換回路６内の直列回路１６の他端側の常閉接点１４ｂと、並列回路１７の他端側の常開接点１４ａを、トランスファ接点で構成した。即ち、リレー１４をトランスファ接点型のリレーで構成したものである。
上述した以外の第２の実施例の構成は、第１の実施例の構成と同じ構成となっている。従って、第２の実施例においても、第１の実施例とほぼ同じ作用効果を得ることができる。

尚、上記第２の実施例では、リレー１４をトランスファ接点型のリレーで構成したが、これに代えて、他方のリレー１５をトランスファ接点型のリレーで構成しても良い。この構成の場合、リレー１５のトランスファ接点の可動接点（共通接点）を出力端子ｄに接続し、リレー１４の常閉接点１４ｂに常用送信回路４の出力端子ｂを接続し、リレー１４の常開接点１４ａに待機送信回路５の出力端子ｃを接続するように構成すれば良い。

また、上記各第１及び第２の実施例においては、第１モニタ回路１２の出力信号によりトランジスタ２０をオンオフして、また、第１の２モニタ回路１２−２の出力信号によりトランジスタ２１をオンオフして、リレー１４、１５を通断電するように構成したが、モニタ回路の故障率が電力切換回路の故障率より小さい場合には、第１モニタ回路１２から出力される出力信号により２個のトランジスタ２０、２１をオンオフしてリレー１４、１５を通断電するように構成しても良い。このように構成しても、同様な作用効果を得ることができる。

本発明の第１の実施例を示す送信回路の電気回路図 モニタ切換回路の電気回路図 第１モニタ回路（第１の２モニタ回路、第２モニタ回路）の電気回路図 本発明の第２の実施例を示す図２相当図

符号の説明

図面中、１は送信回路（多重化装置）、２はループアンテナ、３はハイブリットトランス、４は常用送信回路（第１回路）、５は待機送信回路（第２回路）、６はモニタ切換回路、８は入力回路、９は電力増幅回路、１１は電力切換回路、１２は第１モニタ回路、１２−２は第１の２モニタ回路、１３は第２モニタ回路、１４、１５はリレー、１６は直列回路、１７は並列回路、１８は電源ライン、１９はグランドライン、２０、２１はトランジスタ、３２はコンパレータを示す。

Claims (2)

1. 常用電力信号を出力する第１回路と、待機電力信号を出力する第２回路と、前記常用電力信号が異常なときに前記常用電力信号に代えて前記待機電力信号を出力するように切り換える電力切換回路とを備えて成る多重化装置において、
   前記電力切換回路を、２個のリレーを備え、これら２個のリレーの常閉接点を直列に接続して直列回路を形成し、前記２個のリレーの常開接点を並列に接続して並列回路を形成し、前記直列回路の一端に前記常用電力信号を入力し、前記並列回路の一端に前記待機電力信号を入力し、前記直列回路の他端と前記並列回路の他端を接続し且つこの接続点から電力信号を出力するように構成し、
   前記常用電力信号が正常であるときには、前記２個のリレーの励磁コイルを通電しないようにし、前記常用電力信号が異常になったときに、前記２個のリレーの励磁コイルを通電するように構成したことを特徴とする多重化装置。
2. 前記２個のリレーのうちの一方のリレーをトランスファ接点型のリレーで構成し、このトランスファ接点型のリレーのトランスファ接点の常閉接点を前記直列回路の他端側の常閉接点とし、前記トランスファ接点の常開接点を他方のリレーの常開接点に並列に接続したことを特徴とする請求項１記載の多重化装置。

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