JP5740524B1 - 切換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】外乱による誤動作を抑制して安全性を確保しつつ、小型化と低価格化が図れる切換装置を提供する。【解決手段】切換装置は、所定の条件成立時に一括してオン作動し、入力を下流側に供給する複数のリレー１，２を備える。複数のリレーは、操作コイルが異なる向きの磁束φ１，φ２を生成するように配置され、操作コイルに電流を発生させる外乱φＡが流入した場合に、少なくとも一つの操作コイルに発生する電流値が、リレーがオン作動するときの電流値より小さいことを特徴とする。外乱が流入した場合に、少なくとも一つのリレーがオン作動しないので、切換装置はオン作動せず、入力の下流側への供給が遮断される。複数の汎用品のリレーを多重化構成にして共通原因故障を抑制することで、安全性を確保しつつ、小型化と低価格化が図れる。【選択図】図１

Description

本発明は、各種の機能を実現する回路あるいは装置に対して、電源や信号を供給するための切換装置に関する。

この種の切換装置では、例えばリレーを用いて電源や信号の供給／停止を切り換えている。しかし、汎用品のリレーは外乱によって誤動作が発生する可能性を排除できず、高い安全性が要求されるシステムには適用できない。

そこで、鉄道信号システムでは、外乱に強い仕組みのリレー、いわゆる信号リレーを使用している。信号リレーは外乱の影響を受け難いだけでなく、例えば特許文献１に開示されているように、故障が発生した場合には安全側に制御されるようになっている。このため、下流側の回路あるいは装置が電源や信号を受け取るということは、切換装置が搭載されているシステムのハードウェアやソフトウェアが正常に動作していることを意味し、安全性を保証できる。

特開２０１２−１３８８６７号公報 特開２００７−６２４８３号公報

しかしながら、例えば特許文献２に記載されているように、信号リレーは大型で高価であるため、この信号リレーを用いる製品やシステムも大きく且つ高額なものにならざるを得ない。

本発明は上記のような事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、外乱による誤動作を抑制して安全性を確保しつつ、小型化と低価格化が図れる切換装置を提供することにある。

本発明の切換装置は、所定の条件成立時に一括してオン作動し、入力を下流側に供給する複数のリレーを備えた切換装置であって、前記複数のリレーは、各操作コイルが並列接続され、異なる向きの磁束を生成するように配置されると共に、各リレーの出力端が直列接続され、操作コイルに電流を発生させる外乱が流入した場合に、少なくとも一つの操作コイルに発生する電流値が、前記リレーがオン作動するときの電流値より小さい、ことを特徴とする。

本発明によれば、操作コイルに電流を発生させる外乱が流入した場合に、少なくとも一つのリレーがオン作動せず、入力の下流側への供給が遮断される。これによって、外乱で複数のリレーが同様のモードで誤作動する共通原因故障を抑制できる。従って、複数のリレーを多重化構成にすることで、切換装置の外乱による誤動作を抑制して安全性を確保しつつ、小型化と低価格化が図れる。

本発明の実施形態に係る切換装置の概略構成例を示す斜視図、及び外部から磁束が流入した場合の２つのリードリレーの作動状態の模式図である。 図１に示した切換装置におけるＸ−Ｘ’線に沿った断面図、及びＹ−Ｙ’線に沿った断面図である。 図１及び図２に示した切換装置における各リードリレーの回路構成例を示す図である。 図１及び図２に示した切換装置の回路構成について説明するためのもので、２つのリードリレーの入力と出力の関係をそれぞれ示す模式図である。 図１乃至図４に示した切換装置を用いた電源供給システムの構成例を示すブロック図である。 図１に示した切換装置の変形例を示す斜視図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
本実施形態の切換装置は、図１（ａ）に示すように、複数の汎用品のリレー、例えばリードリレー１，２とプリント配線板（ＰＷＢ：Printed Wiring Board）３とを含んで構成されている。リードリレー１，２は、プリント配線板３を挟んで両面（表面と裏面）に対向して実装される。これらのリードリレー１，２は、各々の操作コイルが異なる向きの磁束を生成するように配置され、操作コイルに生成される磁束φ１とφ２のなす角度が１８０度となっている。換言すれば、リードリレー１，２の操作コイルの中心軸が同じ方向で、且つそれぞれの操作コイルに生成される磁束φ１，φ２の向きが逆方向となっている。

このような配置では、リードリレー１，２の操作コイルに電流を発生させる外乱、例えば矢印で示すように外部から磁束φＡが流入した場合に、磁場は同一方向にかかるので、一方のリードリレーにとってはＮ側、他方のリードリレーにとってはＳ側の条件で磁束が突き抜ける。よって、たとえ一方が誤動作しても他方は正常動作を行い、両方が同時にオンすることはあり得ない。

図１（ｂ）は、この状態を模式的に示している。本例では、磁束φＡの流入によってリードリレー１の接点が短絡し、リードリレー２の接点が解放を維持している状態を示している。このように、リードリレー１が誤動作しても、リードリレー２が正常動作することで、正常な出力を行うことができるようになっている。リードリレー２が誤動作し、リードリレー１が正常動作した場合も同様である。

図２（ａ）は図１（ａ）のＸ−Ｘ’線に沿った断面構成を示し、図２（ｂ）は同図のＹ−Ｙ’線に沿った断面構成を示している。リードリレー１は、リードスイッチ４と、このリードスイッチ４を外部から駆動する操作コイル（励磁コイル）５とを備えている。リードスイッチ４は、２本の強磁性体リード７，８の一端が離隔して対向配置されてガラス管６の中に封入されたものである。ガラス管６の中には接点の活性化を防止するために不活性ガスなどが封入されている。操作コイル５は、ガラス管６の周囲に巻回されており、この操作コイル５の磁束でリード７，８端部の対向するリード片を駆動して接点開閉を行うようになっている。

図２（ａ），（ｂ）では、リードリレー２もリードリレー１と実質的に同様な構成になっている場合について説明するが、外部から磁束が流入した場合に、いずれか一方がオンしないように配置すれば異なる構成のリードリレーを用いても良い。

本実施形態のリードリレー１，２はそれぞれ、図３に示すようにオン／オフ切換を行うリードスイッチ４に接続された第１、第２の外部端子Ｔ１，Ｔ２と、操作コイル５に電流を流すための第３、第４の外部端子Ｔ３，Ｔ４とを備えている。そして、図２（ａ），（ｂ）に示したように、プリント配線板３上に形成されている配線（金属膜パターン）３ａによって、リードリレー１，２の外部端子Ｔ３，Ｔ４同士がそれぞれ共通接続され、外部端子Ｔ１，Ｔ２の一方同士が接続されている。

これによって、図４（ａ）に示す如くリードリレー１，２の操作コイル５が並列接続され、図４（ｂ）に示す如くリードリレー１，２の出力端となるリードスイッチ４（接点）が直列接続される。この結果、リードリレー１，２が同一の入力条件で動作し、両リードリレー１，２のオン／オフの論理積に基づく出力を行う。すなわち、所定の条件成立時に両リードリレー１，２の操作コイル５が励磁され、リードリレー１，２が一括してオン作動することで、リードリレー１の外部端子Ｔ１（あるいはＴ２）に供給された電源あるいは信号を、リードリレー２の外部端子Ｔ２（あるいはＴ１）から下流側の回路に供給する切換装置として機能する。

一方、操作コイル５に電流を発生させる外乱、例えば磁束φＡが流入した場合には、リードリレー１，２の磁束φ１，φ２の向きが１８０度異なることから、磁束φＡの影響が逆の関係になるので、たとえ一方のリードリレーがオン作動しても、他方のリードリレーはオフ（解放）を維持する。このように、リードリレー１，２の両方が同時にオン作動するのを抑制でき、一方のリードリレーが外乱により誤作動しても他方のリードリレーが正常であれば、論理積を取った出力は正常となる。従って、複数のリレーを外乱により同時に作動しない多重化構成の配置にすることで、安全性を高めることができる。
なお、故障でリレーがオフになる側は危険ではないので問題にしない。

上述したように、本実施形態の切換装置では、複数のリードリレーを、操作コイルが異なる向きの磁束を生成するように配置し、操作コイルに電流を発生させる外乱が流入した場合に、少なくとも一つの操作コイルに発生する電流値が、リードリレーがオン作動するときの電流値より小さくなるようにしている。これによって、当該操作コイルを有するリードリレーは、外乱が流入してもオフを維持するので高い安全性を確保できる。従って、リードリレーが誤ってオンになるという故障が２つ同時に起きない限りは危険側にオンとならず、共通原因故障を低減できる。また、リードリレーは、故障が発生した場合には解放を維持するので、安全側に制御できる。

図５は、図１乃至図４に示した切換装置を搭載した電源供給システムの構成例を示している。このシステムは、各種の機能を実現する回路、例えば出力回路やインターフェース回路など（あるいは装置でも良い）に対して電源を供給するものである。

切換装置１１には、基準電源１２から電源電圧ＶＲＥＦが供給される。この切換装置１１におけるリードリレー１，２の操作コイルには、ＣＰＵ等の制御装置１３から制御信号ＣＳが供給され、所定の条件成立時に一括してオン作動するように駆動される。この切換装置１１は、リードリレー１，２のオフ側に安全の条件が割り付けられており、制御装置１３のハードウェアやソフトウェアに異常が発生した場合には、これらのリレー１，２は解放状態となる。従って、電源電圧ＶＲＥＦが下流側の各種回路１４に供給されることは、制御装置１３、すなわち切換装置１１が搭載されているシステムのハードウェアやソフトウェアが正常に動作していることを意味する。

従来は、上記のような電源供給システムにおいて、ハードウェアやソフトウェアの異常でシステムが停止した場合、あるいは暴走した場合には、出力が正常か危険な状態にあるのかの保証がされなかった。また、単一の故障によって回路の出力が危険側にならないようにする安全回路を設けて保護しないと、出力が危険な状態で固定されてしまう虞があった。これに対し、本電源供給システムに故障が発生した場合には、下流側の各種回路１４への電源の供給が停止されるので、システムが安全な状態にあることを保証でき、安全回路を設けることなく、安全性が確認された電源を回路１４へ供給できる。従って、オフ側に安全側の条件を割り付けておくことで、フェールセーフを実現できる。

なお、図５では、電源供給システムを例に取ったが、電源に代えて種々の信号（入力信号）を下流の各種回路に供給する場合にも同様に適用でき、実質的に同様な作用効果が得られる。

上述したように、リレーを多重化構成にすることで装置の安全性を高めることができ、この切換装置を用いるシステムの安全性を高めることができる。実施形態で用いたリードリレー１，２は汎用品であり、小型で且つ低価格である。従って、外乱による誤動作を抑制して安全性を確保しつつ、切換装置を用いた製品やシステムの小型化と低価格化が図れる。

図６は、本発明の実施形態に係る切換装置の変形例を示している。この切換装置は、第１のプリント配線板３の表面に対して垂直に、第２のプリント配線板１５を設置し、これら第１、第２のプリント配線板３，１５にそれぞれリードリレー１，１６を実装したものである。

このような構成によれば、矢印で示すように外部から流入した磁束φＡに対して、リードリレー１，１６の磁束φ１，φ３の角度差が９０度となる。これによって、リードリレー１，１６は同時にオン作動せず、図１（ｂ）に模式的に示したように、一方が誤作動しても他方は正常動作を行う（リレーの解放状態を維持する）。従って、外乱による誤動作を抑制して安全性を確保しつつ、小型化と低価格化が図れる。

なお、本発明は、上述した実施形態及びその変形例に限定されるものではなく、種々変形して実施することが可能である。
＜変形例１＞
例えば、プリント配線板上に２つのリレーを実装する場合を例に取って説明したが、外部から流入した同一磁束に対し、少なくとも一つのリレーがオン作動しない配置であれば３つ以上のリレーを配置しても良いのはもちろんである。

＜変形例２＞
また、本切換装置で大電流を扱う場合には、上記プリント配線板上に必要とする電流量となるように複数のリレーを並列接続して実装しても良い。この場合にも外部から流入する磁束によって、少なくとも一つのリレーが同時にオン作動しないように配置する。

＜変形例３＞
更に、２つのリレーの磁束の向きを１８０度で配置する場合と、９０度で配置する場合を説明したが、必ずしもこれらの角度に限定されるものではない。外部から磁束が流入した場合に、少なくとも一つのリレーがオン作動しない配置であれば良く、９０度や１８０度などの特定の角度に限定されない。換言すれば、外部から磁束が流入した場合に、少なくとも一つのリレーの駆動コイル（操作コイル）に発生する電流値が、当該リレーがオン作動するときの電流値より小さければ良い。

＜変形例４＞
汎用品のリレーの一例として、比較的小型で且つ低価格のリードリレーを例に取って説明したが、リードリレーに限らず電磁リレー一般に適用可能である。

＜変形例５＞
駆動コイル（操作コイル）に電流を発生させる外乱として、磁束を例に取って説明したが、電磁波などのノイズが流入した場合にも、少なくとも一つの操作コイルに発生する電流値が、当該リレーがオン作動するときの電流値より小さくなるように複数のリレーを配置することで、同様な作用効果が得られる。

以上の実施形態及び変形例で説明された構成、形状、大きさ及び配置関係については、本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものに過ぎない。従って本発明は、説明された実施形態及び変形例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。

１，２，１６…リードリレー（リレー）、３，１５…プリント配線板、４…リードスイッチ、５…操作コイル、φ１，φ２…磁束、φＡ…外部から流入した磁束（外乱）、１１…切換装置、１２…基準電源（電源）、１３…制御装置、１４…各種回路、ＶＲＥＦ…電源電圧

Claims (3)

1. 所定の条件成立時に一括してオン作動し、入力を下流側に供給する複数のリレーを備えた切換装置であって、
   前記複数のリレーは、各操作コイルが並列接続され、異なる向きの磁束を生成するように配置されると共に、各リレーの出力端が直列接続され、操作コイルに電流を発生させる外乱が流入した場合に、少なくとも一つの操作コイルに発生する電流値が、前記リレーがオン作動するときの電流値より小さい、ことを特徴とする切換装置。
2. 前記複数のリレーは、プリント配線板の両面に対向して実装される第１、第２のリレーを含む、ことを特徴とする請求項１に記載の切換装置。
3. 前記複数のリレーは、一括してオン作動した場合に、入力信号を下流側に供給する、あるいは入力された電源を下流側に供給する、ことを特徴とする請求項１または２に記載の切換装置。