JP4134845B2 - 信号生成回路，フェールセーフ回路 - Google Patents

Description

本発明は、パルス信号の入力状態に応じて信号レベルが切り替わる状態信号を生成する信号生成回路、及びその信号生成回路を用いたフェールセーフ回路に関する。

従来より、機器に故障や異常が生じた場合に、機器を停止させたり、より危険の少ない状態で動作を継続させたり、異常が解消されるように機器をリセットする等の動作を行うフェールセーフ回路が知られている。また、このフェールセーフ回路に組み込まれる代表的な回路として、マイクロコンピュータ（以下単に「マイコン」と称する。）に周期的にパルス信号（以下では「周期パルス」と称する。）を出力させ、この周期パルスが途絶えた場合に、マイコンに異常が発生したものとして、これに対処するための処理や動作（例えばリセット）を起動するための信号を生成する信号生成回路（一般にウォッチドッグタイマー等とも呼ばれる）が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２０００−２４４２９２号公報

ところで、車両各部への電源供給を制御する電子制御装置（電源ＥＣＵ）において、マイコンの異常時に車両各部への電源供給を遮断するフェールセーフ回路を構成する場合、次の条件を満たす必要があると考えられる。

即ち、走行中に制御不能となることを避けるため、走行中には電源供給が遮断されないようにすること、電源ＥＣＵのマイコンが正常に動作している時には、車両の走行状態に関わらず電源供給が遮断されないようにすることである。

なお、走行中であるか否かの判定には車速パルスを用い、マイコンが正常に動作しているか否かの判定には上述の周期パルスを用いることが考えられ、両パルス信号列のいずれか一方でも入力されていれば、フェールセーフ回路が作動しないように構成すればよい。

ここで、図３は、このようなフェールセーフ回路の構成例を示す回路図である。
図３に示すように、フェールセーフ回路１０１は、車軸に取り付けられたエンコーダ等からなり、車速に応じたパルス間隔を有する車速パルスを発生させる車速検出部３と、図示しないイグニションスイッチ（又はスタートストップスイッチ）の操作状態に応じて、車両各部への電源供給開始を指示する開始指令を出力すると共に、正常動作している時には周期的にパルス信号（周期パルス）を出力するマイコン５と、車速パルス及び周期パルスの入力状態に従って、両方の入力が途絶えた場合にアクティブレベルとなる状態信号を生成する信号生成回路１１０と、マイコン５からの開始指令が入力されると、電源供給経路に設けられたリレーをオン状態とし、その状態を保持するＩＧホールド回路７と、信号生成回路１１０が生成する状態信号がアクティブレベルになると、ＩＧホールド回路７により保持された状態をキャンセルして、上記リレーをオフ状態にするＩＧキャンセル回路９とからなる。

そして、信号生成回路１１０は、ローアクティブの車速パルスを、ハイアクティブのパルス信号（反転車速パルス）に変換する信号変換回路１１１と、信号変換回路１１１から反転車速パルスの入力があればＲ３４を介してコンデンサＣ３２に充電、抵抗Ｒ３５，トランジスタＴｒ３１を介してコンデンサＣ３２の充電電荷を放電する第１充放電回路１１３と、マイコン５から周期パルスの入力があればＲ４４を介してコンデンサＣ４２に充電、抵抗Ｒ４５，トランジスタＴｒ４１を介してコンデンサＣ４１の充電電荷を放電する第２充放電回路１１４と、コンデンサＣ３１，Ｃ４１の充電電圧がいずれも切替電圧に達した場合にアクティブレベルとなる状態信号を生成する出力回路１１５とを備えている。

つまり、マイコン５が開始指令を出力すると、ＩＧホールド回路７がリレーをオン状態に保持することで車両各部への電源供給が行われる。そして、周期パルス及び車速パルスのいずれか一方でも入力され続けていれば電源供給は継続され、その両方が共に入力されなくなった場合、即ち、マイコン５に異常が発生し、且つ車両が停車した場合に、状態信号がアクティブレベルになり、ＩＧキャンセル回路９が動作することによって、車両各部への電源供給が中止されるのである。

なお、周期パルスと車速パルスとでは、正常であると見なすことができる最大パルス間隔（最小パルス周波数）が大きく異なっているため、その最大パルス間隔に応じた第１及び第２許容時間を設定する必要があり、その設定に従って、充電用の抵抗Ｒ３４，Ｒ４４や、放電用の抵抗Ｒ３５，Ｒ４５の抵抗値、コンデンサＣ３２，Ｃ４２の容量値は設定されている。

このように、最大パルス間隔の異なる複数種類のパルス信号を入力とするフェールセーフ回路を構成する場合、各パルス信号毎に、いずれも同様の回路構成を有するが、正常時に入力される各パルス信号列のパルス間隔（パルス周波数）に応じた時定数を有するように各素子の定数が設定された充放電回路を用意する必要があり、信号生成回路（ひいてはフェールセーフ回路）の回路規模が大きくなるという問題があった。

本発明は、上記問題点を解決するために、回路規模を増大させることなく入力される複数種類のパルス信号の状態に応じた信号の生成が可能な信号生成回路及びフェールセーフ回路を提供することを目的とする。

上記目的を達成するためになされた第一発明の信号生成回路では、入力端子のいずれかからパルス信号の入力があると、放電手段がコンデンサから電荷を放電し、また、充電手段は、放電手段による放電が許容時間以上行われなければ、コンデンサの充電電圧が予め設定された切替電圧に達するようコンデンサに電荷を充電する。そして、信号生成手段は、コンデンサの充電電圧が切替電圧より小さければ第１の信号レベル、切替電圧以上であれば第２の信号レベルとなる状態信号を生成する。また、信号生成手段は、予め設定された確認スイッチが操作された場合にのみ作動するように構成する。

但し、放電手段は、充電手段によって許容時間内で充電される以上の電荷を、パルス信号のパルス幅によらず１パルスにてコンデンサから放電し、充電手段は、パルス信号列に許容される最大パルス間隔より許容時間が長くなるような割合で電荷を前記コンデンサに充電するように設定されている。

つまり、複数の入力端子のうち一つでもパルス信号の入力があれば、状態信号は第１の信号レベルとなり、複数の入力端子の全てにてパルス信号の入力が許容時間以上途絶えると、状態信号は第２の信号レベルとなる。

このように、本発明の信号生成回路では、切替電圧を発生させるための構成、即ちコンデンサ，充電手段，放電手段を、各入力端子毎に設ける必要がなく、共通に一つだけ備えていればよいため、回路構成を簡略化することができ、その回路規模を小さくすることができる。
また、信号生成手段が予め設定された確認スイッチが操作された場合にのみ作動するので、例えば、信号生成回路の出力によって、何らかの設定や動作をキャンセルするフェールセーフ回路を構成する場合に、使用者が確認スイッチを操作して、キャンセルを望んでいることを表明した時にのみ、キャンセルが実行されるように構成することができ、より安全なフェールセーフ回路を構成することができる。

ところで、放電手段は、例えば、コンデンサの放電経路に設けられたスイッチング素子と、パルス信号のエッジを検出すると予め設定された放電期間の間だけスイッチング素子を導通させるスイッチング制御手段とにより構成することができる。この場合、放電期間の間に許容時間内で充電される以上の電荷が放電されるように設定すればよい。

次に第二の発明のフェールセーフ回路では、信号生成回路が生成する状態信号に従って、電源制御回路が、予め指定された電源供給経路の導通状態を制御する。この場合、適用する装置の構成に応じて、状態信号が第１の信号レベルにある時に、電源供給経路を遮断するように構成してもよいし、状態信号が第２の信号レベルにある時に、電源供給経路を遮断するように構成してもよい。

そして、本発明のフェールセーフ回路を、マイクロコンピュータ（マイコン）を中心に構成された車載用の電子制御装置に組み込む場合、信号生成回路の入力端子には、パルス信号列として、車速に応じたパルス間隔を有する車速パルスと、マイコンが正常に作動している間、そのマイコンから周期的に出力される周期パルスとが少なくとも入力されるように構成することが望ましい。

この場合、マイコンに異常が発生したとしても、車両の走行中（車速パルスの入力がある時）には電源供給経路が遮断されて車両を制御不能となってしまうことがなく、また、マイコンが正常に動作している時（周期パルスの入力がある時）には、車両の走行状態に関わらず、電源供給経路が遮断されてしまうことがない。

このように、本発明のフェールセーフ回路によれば、電源制御回路の作動条件を制限することで危険を防止することができる。

以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。
図１は、車両各部への電源供給を制御する電子制御装置（電源ＥＣＵ）において、電源ＥＣＵに搭載されたマイクロコンピュータ（マイコン）に異常が生じた場合に車両各部への電源供給を遮断するフェールセーフ回路の構成図である。

図１に示すように、本実施形態のフェールセーフ回路１は、従来装置と同様に、車軸に取り付けられたエンコーダ等からなり、車速に応じたパルス間隔を有する車速パルスを発生させる車速検出部３と、図示しないイグニションスイッチ（又はスタートストップスイッチ）の操作状態に応じて、車両各部への電源供給開始を指示する開始指令を出力すると共に、正常動作している時には周期的にパルス信号（周期パルス）を出力するマイコン５と、車速パルス及び周期パルスの入力状態に従って、両方の入力が途絶えた場合にアクティブレベルとなる状態信号を生成する信号生成回路１０と、マイコン５からの開始指令が入力されると、電源供給経路に設けられたリレーをオン状態にして、その状態を保持するＩＧホールド回路７と、信号生成回路１０が生成する状態信号がアクティブレベルになると、ＩＧホールド回路７により保持された状態をキャンセルして、上記リレーをオフ状態にするＩＧキャンセル回路９とからなる。

但し、車速検出部３が発生させる車速パルスのパルス間隔は、車速に応じて変化し（例えば、１０ｍｓ〜５００ｍｓ程度）、マイコン５が出力する周期パルスのパルス間隔は、車速パルスより短い一定値（例えば、５ｍｓ）に設定されている。また、ここでは、車速パルスのパルス間隔が許容時間ＴＡ（例えば、５００ｍｓ）以上となった場合に、車両は停車したと見なすものとする。

そして、信号生成回路１０は、入力端子Ｘ１を介して入力されるローアクティブの車速パルスを、ハイアクティブのパルス信号（反転車速パルス）に変換する信号変換回路１１と、信号変換回路１１から反転車速パルス、及び入力端子Ｘ２を介して入力される周期パルスに基づき、後述するコンデンサＣ３１の充放電を行う充放電回路１３と、コンデンサＣ３１の充電電圧が予め設定された切替電圧に達した場合にアクティブレベル（ここではハイレベル）となる状態信号を生成して出力端子Ｘｏから出力する出力回路１５とを備えている。

このうち、信号変換回路１１は、エミッタが電源ラインＬに接続され、コレクタが抵抗Ｒ１１を介して接地され、ベースに車速パルスが印加されるＰＮＰ型のトランジスタＴｒ１１を中心に構成され、トランジスタＴｒ１１のコレクタ出力が充放電回路１３の入力となるように接続されている。そして、トランジスタＴｒ１１のベースには、ベースから車速パルスの入力端子Ｘ１に向かう方向を順方向とするダイオードＤ１１及び抵抗Ｒ１２が直列接続され、このダイオードＤ１１のアノードは抵抗Ｒ１４を介して電源ラインＬに接続されている。また、トランジスタＴｒ１１のベース／エミッタ間には、ベースに印加されるノイズを除去するためのフィルタを形成するコンデンサＣ１１及びベース電位を安定させる抵抗Ｒ１３が接続されている。

このように構成された信号変換回路１１では、車速パルスがハイレベルの時にトランジスタＴｒ１１はオフし、車速パルスがロウレベルの時にトランジスタＴｒ１１はオンする。これにより、信号変換回路１１から充放電回路１３に対して、車両の走行時には車速パルスとは信号レベルが反転したパルス信号、停車時には信号レベルがロウレベルに固定された信号が供給されることになる。

次に、出力回路１５は、コレクタ出力が状態信号としてＩＧキャンセル回路９に供給されるように接続されたＰＮＰ型のトランジスタＴｒ５１を中心に構成されている。そして、トランジスタＴｒ５１のエミッタは、後述するトランジスタＴｒ５２のオン時に、トランジスタＴｒ５１を確実にオフさせるバイアス電圧を発生させるためのダイオードＤ５１を介して電源ラインＬに接続され、また、トランジスタＴｒ５１のベースは、抵抗Ｒ５２を介して接地されている。なお、電源ラインＬは、逆流防止用のダイオードＤ５２を介して電源に接続されている。

また、電源ラインＬとトランジスタＴｒ５１のベースとの間には、そのベースに印加されるノイズを除去するフィルタを構成するコンデンサＣ５１及びベース電位を安定させる抵抗Ｒ５１が並列接続されると共に、エミッタが電源ラインＬに接続され、コレクタがトランジスタＴｒ５１のベースに接続されたＰＮＰ型のトランジスタＴｒ５２が接続されている。

このように構成された出力回路１５では、トランジスタＴｒ５２がオン状態であれば、トランジスタＴｒ５１はオフ状態となり、ＩＧキャンセル回路９に供給される状態信号は非アクティブレベルとなる。逆に、トランジスタＴｒ５２がオフ状態であれば、トランジスタＴｒ５１はオン状態となり、ＩＧキャンセル回路９に供給される状態信号はアクティブレベルとなる。

次に、充放電回路１３は、直列接続された一対の抵抗Ｒ３１，Ｒ３２を介して電源ラインＬに一端が接続され、他端が接地されたコンデンサＣ３１を中心に構成されている。そして、このコンデンサＣ３１の非接地端には、ベース／エミッタ間に抵抗Ｒ３５，コンデンサＣ３２が並列接続され、エミッタが接地されたＮＰＮ型のトランジスタＴｒ３１のコレクタが抵抗Ｒ３３を介して接続されている。なお、抵抗Ｒ３１，Ｒ３２の接続点は、出力回路１５を構成するトランジスタＴｒ５２のベースに接続され、コンデンサＣ３１の充電電圧に応じた電圧が、トランジスタＴｒ５２のベースに供給されるように構成されている。

また、充放電回路１３では、信号変換回路１１から供給される反転車速パルスを、直列接続された抵抗Ｒ３６，ＡＣカップリング用のコンデンサＣ３３を介して入力し、また、マイコン５から供給される周期パルスを同様に直列接続された抵抗Ｒ４６，ＡＣカップリング用のコンデンサＣ４３を介して入力する。そして、これら入力されたパルス信号は、アノードが接地されたツェナーダイオードＤ３１によって電圧がクランプされた後、抵抗Ｒ３４を介して、トランジスタＴｒ３１のベースに供給されるように接続されている。

このように構成された充放電回路１３では、抵抗Ｒ３６，コンデンサＣ３３、又は抵抗Ｒ４６，コンデンサＣ４３を介して反転車速パルス又は周期パルスが入力されると、これらパルスの立ち上がりエッジにて、コンデンサＣ３２が充電される。また、このコンデンサＣ３２の充電電荷は、抵抗Ｒ３５の抵抗値及びコンデンサＣ３２の容量値によって決まる時定数に従った割合で放電される。

なお、ここでは、抵抗Ｒ３４，Ｒ３５による分圧電圧が、トランジスタＴｒ３１のオン電圧より高くなるように抵抗Ｒ３４，Ｒ３５の抵抗値、及びツェナーダイオードＤ３１のツェナー電圧が設定されている。つまり、パルスの入力があり、コンデンサＣ３２が充電された時には、コンデンサＣ３２の充電電圧がトランジスタＴｒ３１のオン電圧より小さくなるまでの保持期間の間、トランジスタＴｒ３１のオン状態が保持されることになる。

このように構成された充放電回路１３では、反転車速パルス及び周期パルスのいずれの入力もなく、トランジスタＴｒ３１のオフ状態が保持される期間は、抵抗Ｒ３１，Ｒ３２を介してコンデンサＣ３１に電荷が充電される。また、反転車速パルス又は周期パルスのいずれか一方でも入力があると、上記保持期間の間だけ、抵抗Ｒ３３及びトランジスタＴｒ３１を介してコンデンサＣ３１から電荷が放電される。

但し、ここでは、コンデンサＣ３１への充電が許容時間ＴＡ以上継続すると、コンデンサＣ３１の充電電圧は切替電圧Ｖｘに達する。
また、抵抗Ｒ３１，Ｒ３２の抵抗比は、コンデンサＣ３１の充電電圧が切替電圧Ｖｘより小さければトランジスタＴｒ５２がオン状態となり、切替電圧Ｖｘ以上であればトランジスタＴｒ５２オフ状態となるように設定されている。

このように構成された本実施形態のフェールセーフ回路１では、マイコン５が開始指令を出力すると、ＩＧホールド回路７が電源供給経路に設けられたリレーをオン状態にし、その状態を保持する。

そして、マイコン５が正常に動作している時には、マイコン５から出力される周期パルスによって、コンデンサＣ３１の充電電荷が定期的に放電されるため、コンデンサＣ３１の充電電圧が切替電圧Ｖｘに達することがなく、ＩＧキャンセル回路９への状態信号は非アクティブレベルに保持される（図２中の「マイコン正常」期間を参照）。その結果、ＩＧホールド回路７の設定はキャンセルされることがなく、車両各部への電源供給が継続される。

一方、マイコン５に何らかの異常が発生して周期パルスが途絶えた場合、車両が走行中であれば、車速検出部３からの車速パルス（反転車速パルス）によって、許容時間ＴＡより短い間隔でコンデンサＣ３１の充電電荷が放電されるため、コンデンサＣ３１の充電電圧が切替電圧Ｖｘに達することがなく、ＩＧキャンセル回路９への状態信号は、マイコン５が正常に動作している時と同様に、非アクティブレベルに保持される（図２中の「マイコン異常」「走行中」期間を参照）。

また、マイコン５に何らかの異常が発生して周期パルスの出力が途絶え、且つ車両が停車して車速パルスの出力も許容時間ＴＡ以上途絶えた場合には、コンデンサＣ３１の充電電圧が切替電圧Ｖｘに達することにより、ＩＧキャンセル回路９への状態信号はアクティブレベルに変化する（図２中の「マイコン異常」「停車」期間を参照）。その結果、ＩＧキャンセル回路９が動作することにより、ＩＧホールド回路７の設定はキャンセルされ、車両各部への電源供給が中止される。

以上説明したように、本実施形態のフェールセーフ回路１（信号生成回路１０）は、許容される最大パルス間隔がより長い入力信号（ここでは車速パルス）に合わせてコンデンサＣ３１への充電を行い、単一のパルスでコンデンサＣ３１からの放電が完了するように設定された充放電回路１３を用いることにより、従来装置１０１のように入力端子Ｘ１，Ｘ２からの入力信号毎に充放電回路１１３，１１４を用いるのではなく、両入力信号（車速パルス，周期パルス）に対して、単一の充放電回路１３を共通に用いるように構成されている。

従って、本実施形態のフェールセーフ回路１（信号生成回路１０）によれば、回路構成を簡略化することができ、その回路規模を小さくすることができる。
なお、本実施形態において、充放電回路１３の抵抗Ｒ３１，Ｒ３２が本発明における充電手段、充放電回路１３の抵抗Ｒ３１，Ｒ３２、コンデンサＣ３１以外の部分が放電手段に相当し、特に、放電手段の中で、トランジスタＴｒ３１がスイッチング素子、その他の部分がスイッチング制御手段に相当する。また、出力回路１５が信号生成手段、ＩＧホールド回路７，ＩＧキャンセル回路９が電源制御回路に相当する。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、様々な態様にて実施可能である。
例えば、出力回路１５において、トランジスタＴｒ５１のベースを接地する抵抗Ｒ５２と直列に、使用者の操作により接点が閉じる確認用スイッチを接続し、更に、コンデンサＣ３１の充電電圧が切替電圧Ｖｘに達した場合に、その旨を車両の乗員に視覚的又は聴覚的に報知する報知装置を設けてもよい。

この場合、車速パルス及び周期パルスの両方が途絶えたとしても、直ちに、車両各部への電源供給が中止されることはなく、報知装置の報知によって異常を知った乗員による確認用スイッチの操作があった場合に限り、車両各部への電源供給が中止されることになる。

つまり、フェールセーフ回路１を動作させる条件を一つ追加することができ、当該フェールセーフ回路１を用いて構成した装置の安全性をより向上させることができる。
また、上記実施形態では、トランジスタＴｒ５１のコレクタ出力を状態信号としているが、トランジスタＴｒ５２のコレクタ出力を状態信号として用いてもよい。この場合、車速パルス及び周期パルスのうち、いずれか一方でも入力があれば、アクティブレベル（ハイレベル）となり、両方の入力が途絶えた場合に、非アクティブレベル（ローレベル）となる信号を供給することができる。換言すれば、ＯＲ論理からＡＮＤ論理に変更することができる。

更に、上記実施形態では、２種類のパルス信号が入力されるように構成されているが、３種類以上のパルス信号が入力されるように構成してもよい。この場合、充放電回路１３は、抵抗とＡＣカップリング用コンデンサからなる入力回路を、入力するパルス信号の数だけ並列に用意し、これらのパルス信号のうち許容される最大パルス間隔が最も長いものに合わせてコンデンサＣ３１への充電速度を設定すればよい。

また、上記実施形態では、信号生成回路１５を、フェールセーフ回路１に組み込んだが、これに限らず、複数のパルス信号のうち、いずれか一つでも入力されている場合、又は全ての入力が途絶えた場合に、その旨を表す信号を得ることが必要なものであれば、どのような機器や回路に組み込んでもよい。

実施形態のフェールセーフ回路の構成を示すブロック図（一部回路図を含む）である。 信号生成回路における動作を示す説明図である。 従来のフェールセーフ回路の構成を示すブロック図（一部回路図を含む）である。

符号の説明

１…フェールセーフ回路、３…車速検出部、５…マイクロコンピュータ（マイコン）、７…ＩＧホールド回路、９…ＩＧキャンセル回路、１０…信号生成回路、１１…信号変換回路、１３…充放電回路、１５…出力回路。

Claims (4)

1. 複数の入力端子を有し、該入力端子のうちいずれか一つでも、予め設定された許容時間より短い間隔でパルス信号列の入力がある場合と、前記入力端子のいずれからも、前記許容時間以上の間パルス信号の入力がない場合とで信号レベルが異なる状態信号を生成する信号生成回路であって、
   電荷が充放電されるコンデンサと、
   前記入力端子のいずれかからパルス信号の入力があると、前記コンデンサから電荷を放電する放電手段と、
   該放電手段による放電が前記許容時間以上行われなければ、前記コンデンサの充電電圧が予め設定された切替電圧に達するよう該コンデンサに電荷を充電する充電手段と、
   前記コンデンサの充電電圧が切替電圧より小さければ第１の信号レベル、該切替電圧以上であれば第２の信号レベルとなる状態信号を生成する信号生成手段と、
   を備え、
   前記放電手段は、前記許容時間内で充電される以上の電荷を、前記パルス信号のパルス幅によらず１パルスにて前記コンデンサから放電し、前記充電手段は、前記パルス信号列に許容される最大パルス間隔より前記許容時間が長くなるような割合で電荷を前記コンデンサに充電するように設定され、
   前記信号生成手段は、予め設定された確認スイッチが操作された場合にのみ作動することを特徴とする信号生成回路。
2. 前記放電手段は、前記コンデンサの放電経路に設けられたスイッチング素子と、
   パルス信号のエッジを検出すると、
   予め設定された放電期間の間だけ前記スイッチング素子を導通させるスイッチング制御手段と、
   からなることを特徴とする請求項１に記載の信号生成回路。
3. 請求項１または２のいずれかに記載の信号生成回路と、
   該信号生成回路が生成する状態信号に従って、予め指定された電源供給経路の導通状態を制御する電源制御回路と、
   を備えることを特徴とするフェールセーフ回路。
4. マイクロコンピュータを中心に構成された車載用の電子制御装置に組み込まれ、
   前記信号生成回路の入力端子には、前記パルス信号列として、車速に応じたパルス間隔を有する車速パルスと、前記マイクロコンピュータが正常に作動している間、該マイクロコンピュータから周期的に出力される周期パルスとが少なくとも入力されることを特徴とする請求項３に記載のフェールセーフ回路。

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