JP2007266826A - 信号伝達素子及び該信号伝達素子を備える回路 - Google Patents

Abstract

【課題】高温等の悪環境下でも安定して動作可能で、直流も扱え、小型で取り扱いが容易な回路分離機能を有する信号伝達素子を提供する。
【解決手段】 回路基板上に、第１電圧で動作し、直流二値電流信号を生成する信号生成回路１２，１３と、生成された電流信号により磁束を発生するコイル６１と、を備える回路１０と、第１電圧と異なる第２電圧で動作し、コイル６１が発生した磁束を検出するホール素子６２と、ホール素子６２の出力信号を処理する信号処理回路２２と、を備える回路２０と、が形成される。両回路１０、２０は電気的に絶縁分離されつつ、コイル６１とホール素子６２から構成される信号伝達アイソレータ６０を介して信号の伝達を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、異なる電圧系統で動作する複数の回路間で信号を伝達できる信号伝達素子及びそれを用いた電気・電子回路に関する。

近年、低燃費化、環境負荷の低下の観点からエンジン力とともにモータで駆動力を得て走行するハイブリット車が利用されている。モータは非常に大きなパワーを必要とすることから、ハイブリット車では高電圧の電源とバッテリーを装備している。

また、ヘッドライト、ワイパー、メータ等、従来のガソリン車と共通に設置されている補機類については、部品を共通化するため、１２Ｖ系の電子部品を数多く用いている。ただし、従来の鉛バッテリは設置せず、高電圧バッテリからＤＣ−ＤＣコンバータを使用して、１２Ｖへ降圧を行い、その電圧を電源電圧として利用している。

エンジン冷却用のウォータポンプは、従来エンジンの駆動力を利用していたが、ハイブリット車では、電動化されつつある。このようなポンプ用モータは、大電力を必要とする。このため、１２Ｖ系電源を使用すると、ＤＣ−ＤＣコンバータの負荷が増大し、装置自体も大きく重くなる。また、エネルギー効率も低下する。

このような理由から、ウォーターポンプのような高出力を必要とする車載システムでは、高電圧を直接利用することが望まれる。

この場合、エンジンを制御するコンピュータは１２Ｖ系電源で動作し、ポンプモータコントローラは２００Ｖで動作することになる。このような１２Ｖ系の低電圧で動作するコンピュータと、２００Ｖ系で動作するコンピュータとの間で通信を行う場合、電圧的に大きな落差あることや、電圧変動やノイズの回り込みを防止すべく、一般にフォトインタラプタと呼ばれるアイソレーション素子を用いている。フォトインタラプタにより、高電圧側と低電圧側とは光で結合され、電気的に分離・絶縁される。また、小型であるという長所も有している。

異なる電圧系の回路間でフォトインタラプタを用いて通信を行うことは、例えば特許文献１及び特許文献２で開示されているように、一般的に用いられている。
特開平１１−１０８９６７号公報 特開平９−１６２８０４号公報

フォトインタラプタを構成する発光素子及び受光素子は一般に化合物半導体から構成され、高温の環境下では特性劣化、寿命低下を招く。
一方、車両のエンジンルームは、一般に温度変化が激しく、高温になるため、光素子の動作環境としては望ましくない。このため、フォトインタラプタでは、その特性及び寿命を十分得ることが難しい。

信号伝達素子としては、トランスなどもあるが、交流しか伝達できず、素子が大きく、重量も大きいという問題がある。

同様の問題は、自動車のエンジンルームに限らず、異なる電源系統で動作する回路が配置される様々な装置に共通に存在する。

本発明は上述した実情に鑑みてなされたものであって、高温等の悪環境下でも安定して動作可能な分離機能を有する信号伝達素子及び該信号伝達素子を用いた回路を提供することを目的とする。
さらに、本発明は、直流も扱え、小型で取り扱いが容易な分離機能を有する信号伝達素子及び該信号伝達素子を用いた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、この発明の第１の発明に係る回路は、
第１電圧系で動作し、電流信号を生成する信号生成回路と、該信号生成回路で生成された電流信号により磁束を発生する磁束発生部と、を備える第１回路と、
前記第１電圧とは異なる第２電圧系で動作し、前記磁束発生部が発生した磁束を検出するホール素子と、該ホール素子の出力信号を処理する信号処理回路と、を備える第２回路と、
を備え、第１回路で生成した信号を第２回路に伝達することを特徴とする。

また、上記目的を達成するため、この発明の第２の発明に係る信号伝達素子は、
第１電源電圧系の第１回路に組み込まれ、該第１回路で生成された電流信号が供給され、該電流信号に対応する磁界を発生する磁束発生部と、
前記第１電源電圧とは異なる第２電源電圧系の第２回路に組み込まれ、前記磁束発生部が発生した磁界を検出し、検出した磁界に対応する電圧信号を出力するホール素子と、
から構成され、第１回路で生成された信号を第２回路に伝達する。

例えば、前記磁束発生部は、前記電流信号が流れるコイルから構成され、前記ホール素子は、前記コイルから離間して且つ前記コイルの軸上に配置されている。

例えば、前記磁束発生部は、絶縁性基板の一面に配置され、前記ホール素子は、前記絶縁性基板の他面に配置される。この場合、前記磁束発生部は、例えば、前記絶縁性基板の一面に対して垂直方向に磁束を発生する。

前記磁束発生部と前記ホール素子と絶縁性基板の一面に離間して配置されてもよい。

上記構成によれば、磁束発生部とホール素子との間で、磁気信号を介して信号が伝達されるので、第１回路と第２回路との間の電気的絶縁が可能となる。また、磁束発生部とホール素子との間では、直流信号の伝達が可能である。さらに、磁束発生部とホール素子は、比較的高温でも安定した動作が可能であると共に素子の小型化が可能である。

本発明の信号伝達素子及び回路を、ハイブリット車のエンジンの冷却用モータの駆動回路を例に説明する。

本実施の形態に係るモータ駆動回路１００は、図１に示すように、エンジン制御部１０と、ポンプモータ制御部２０と、１２Ｖ電源３０と、２００Ｖ電源４０と、を備え、ポンプモータ５０を駆動する。

エンジン制御部１０は、１２Ｖ電源３０からの電源供給を受けて動作し、ポンプモータ５０の回転動作を制御するためのものであり、レギュレータ１１と、プロセッサ１２と、指令送信用トランジスタ１３と、過電流防止抵抗１４、１５と、送信用コイル６１と、受信用ホール素子７２とから構成される。

レギュレータ１１は、１２Ｖ電源３０の出力する１２Ｖの電源電圧を降圧すると共に安定化して、ＴＴＬ(Transistor Transistor Logic）レベルの５Ｖの電圧を出力する。
プロセッサ１２は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどを内蔵し、ＲＯＭに格納された動作プログラムに従ってエンジンを制御するための種々の信号処理動作を行う。

プロセッサ１２は、本実施例においては、特に、センサ群Ｓ１から供給される、冷却水の水温、吸気圧、エンジン回転数などの情報と、ポンプモータ５０の回転状況を示す回転状況信号ＲＸなどに基づいて、ポンプの必要冷却能力を算出する。
プロセッサ１２は、算出した必要冷却能力示すデータを、例えば、パルス幅変調(PWM)方式やパルス符号変調 (PCM)方式で変調して、冷却能力指示信号ＴＸを出力ポートよりシリアルに出力する。

指令送信用トランジスタ１３は、ＰＮＰトランジスタから構成されている。このＰＮＰトランジスタのベースは、過電流防止抵抗１４を介して、プロセッサ１２のシリアル出力ポートに接続されている。このＰＮＰトランジスタのエミッタは接地されている。このＰＮＰトランジスタのコレクタは、過電流防止抵抗１５と送信用コイル６１を介して、１２Ｖ電源３０の陽極に接続されている。指令送信用トランジスタ１３は、プロセッサ１２から供給される冷却能力指示信号ＴＸがハイレベルのときに、オンして、直流二値電流信号を生成する。この電流が、送信用コイル６１を流れることにより二値レベルの磁束を発生させる。

送信用コイル６１は、その一端が１２Ｖ電源３０の陽極に接続され、その他端が過電流防止抵抗１５を介して指令送信用トランジスタ１３のコレクタに接続されている。指令送信用トランジスタ１３がオンすると、１２Ｖ電源３０から送信用コイル６１と指令送信用トランジスタ１３を介して電流が流れ、送信用コイル６１は磁束・磁界を発生する。後述するように、この磁束は、受信用ホール素子６２に受信される。

受信用ホール素子７２は、１２Ｖ電源３０からの電力で動作し、ポンプモータ制御部２０の送信用コイル７１が発生した磁束をホール効果により検出し、その強度に対応する電圧信号をプロセッサ１２に出力するＩＣチップである。

ポンプモータ制御部２０は、エンジン制御部１０からシリアルに供給される冷却能力指示信号ＴＸに従って、ポンプモータ５０に適切な電力を供給することにより冷却ポンプを駆動するものである。ポンプモータ制御部２０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１と、プロセッサ２２と、モータ駆動用ＦＥＴ２３と、逆電流防止ダイオード２４と、モータ状態返信用トランジスタ２５と、電流制限抵抗２８，２９と、受信用ホール素子６２と、送信用コイル７１とから構成される。

ＤＣ−ＤＣコンバータ２１は、２００Ｖ電源４０の出力する２００Ｖの電源電圧を降圧すると共に安定化して、ＴＴＬレベルの５Ｖの電圧を出力する。

プロセッサ２２は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどを内蔵し、ＲＯＭに格納された動作プログラムに従って動作し、プロセッサ１２から送信された冷却能力指示信号ＴＸに応じてモータ駆動用ＦＥＴ２３をスイッチングする。より詳細に説明すると、プロセッサ２２は、モータ駆動用ＦＥＴ２３をスイッチング駆動するが、プロセッサ１２から通知された必要冷却能力が大きくなればなるほど、モータ駆動用ＦＥＴ２３をオンする期間を長くして（デューティ比を大きくして）、ポンプモータ５０に供給する電力を大きくし、プロセッサ１２から通知された必要冷却能力が小さくなればなるほど、モータ駆動用ＦＥＴ２３をオンする期間を短くして（デューティ比を小さくして）、ポンプモータ５０に供給する電力を小さくする。
また、プロセッサ２２は、センサ群Ｓ２から供給されるポンプモータ５０の回転状況を示す信号を取り込み、回転状況を示すデータを、例えば、パルス幅変調(PWM)方式やパルス符号変調 (PCM)方式で変調して回転状況信号ＲＸを生成し、電流制限抵抗出力ポートよりシリアルに出力する。

モータ駆動用ＦＥＴ２３は、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ等から構成され、プロセッサ２２がハイレベルの信号をゲートに印加したときに、ソース・ドレイン間がオン（導通）する。これにより、２００Ｖ電源４０からポンプモータ５０とこのモータ駆動用ＦＥＴ２３を介して電流が流れ、ポンプモータ５０にエネルギーが供給される。

逆電流防止ダイオード２４は、モータ駆動用ＦＥＴ２３がオンしている間は、２００Ｖ電源４０からグランドへの貫通を防止し、モータ駆動用ＦＥＴ２３がオフした際にポンプモータ５０に発生する逆起電力による電流を還流させる。

モータ状態返信用トランジスタ２５は、ＰＮＰトランジスタから構成されている。このＰＮＰトランジスタのベースは、電流制限抵抗２８を介して、プロセッサ２２のシリアル出力ポートに接続されている。このＰＮＰトランジスタのエミッタは接地されている。このＰＮＰトランジスタのコレクタは、送信用コイル７１と電流制限抵抗２９とを介して、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１の出力端に接続されている。モータ状態返信用トランジスタ２５は、プロセッサ２２から供給される回転状況信号ＲＸがハイレベルの時にオンして、送信用コイル７１に電流を流し、磁束を発生させる。

受信用ホール素子６２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１の出力する５Ｖ電源で動作し、エンジン制御部１０内の送信用コイル６１に対向して配置され、送信用コイル６１が発生した磁束の強度をホール効果により検出し、検出した磁束強度に対応する電圧信号をプロセッサ２２に出力するＩＣチップである。この出力信号は、エンジン制御部１０のプロセッサ１２が発生した冷却能力指示信号ＴＸと同一の信号となる。

送信用コイル７１は一端がモータ状態返信用トランジスタ２５のコレクタに接続され、他端は電流制限抵抗２９を介してＤＣ−ＤＣコンバータ２１の出力端に接続されており、モータ状態返信用トランジスタ２５がオンしたときに、磁束を発生する。この磁束は、エンジン制御部１０の受信用ホール素子７２により検出される。

ポンプモータ５０は、図示せぬ冷却ポンプを駆動する。

送信用コイル６１と受信用ホール素子６２とは、１２Ｖ系の回路であるエンジン制御部１０から２００Ｖ系の経路であるポンプモータ制御部２０とを電気的に絶縁しつつ、エンジン制御部１０からポンプモータ制御部２０に冷却能力指示信号ＴＸを伝達するための信号伝達アイソレータ６０を構成する。

また、送信用コイル７１と受信用ホール素子７２とは、１２Ｖ系の回路であるエンジン制御部１０から２００Ｖ系の経路であるポンプモータ制御部２０とを電気的に絶縁しつつ、ポンプモータ制御部２０からエンジン制御部１０に回転状況信号ＲＸを伝達するための信号伝達アイソレータ７０を構成する。

図２（ａ）に示すように、１２Ｖ系の回路であるエンジン制御部１０は、絶縁性基板８０の一面に形成され、２００Ｖ系の経路であるポンプモータ制御部２０は絶縁性基板８０の他面に形成され、互いに電気的に絶縁されている。絶縁性基板８０は、例えば、ガラスエポキシ樹脂などから構成される。

図２（ｂ）に拡大して示すように、エンジン制御部１０を構成する送信用コイル６１は、絶縁性基板８０の主面に垂直な方向に磁束を形成するように配置され、ポンプモータ制御部２０を構成する受信用ホール素子６２は、送信用コイル６１に対向して、送信用コイル６１が発生する磁束が通過する位置に検出面が位置するように配置されている。

図２（ｂ）に示すように、送信用コイル６１と受信用ホール素子６２とは、適宜、磁気シールド８１，８２によりカバーされる。

同様に、送信用コイル７１は、磁束を絶縁性基板８０の主面に垂直な方向に磁束を形成するように配置され、受信用ホール素子７２は、送信用コイル７１が発生する磁束が通過する位置に検出面が位置するように配置されている。

次に、上記構成の装置の動作を説明する。
エンジン制御部１０のプロセッサ１２は、センサ群Ｓ１からの信号及び受信用ホール素子７２から供給される回転状況信号ＲＸに従って、必要な冷却能力を求め、これにＰＷＭ変調などを施して、例えば、図３（ａ）に示すようなシリアル二値信号である冷却能力指示信号ＴＸを生成して出力する。指令送信用トランジスタ１３は、このシリアル信号に従って、オン・オフを繰り返す。この結果、送信用コイル６１には、冷却能力指示信号ＴＸと同相の直流二値電流が流れ、送信用コイル６１は、図３（ｂ）に示すような冷却能力指示信号ＴＸと同相の磁束を発生する。

受信用ホール素子６２は、エンジン制御部１０とは絶縁されているが、送信用コイル６１が発生した磁束の二値の強度に対応する電圧信号を生成し（即ち、冷却能力指示信号ＴＸを再生し）、プロセッサ２２に供給する。

ポンプモータ制御部２０のプロセッサ２２は、再生された冷却能力指示信号ＴＸから、指示された必要冷却能力を復号する。プロセッサ２２は、復号した必要冷却能力及びセンサ群Ｓ２の出力から、ポンプモータ５０に供給すべき電力を求め、求めた電力が供給されるようにモータ駆動用ＦＥＴ２３をオン・オフ（スイッチング）する。これのエネルギーにより、ポンプモータ５０は、ポンプを駆動する。

一方、プロセッサ２２は、センサ群Ｓ２の出力から、ポンプモータ５０の実際の回転量を求め、この値を変調して、回転状況信号ＲＸを生成して、出力する。モータ状態返信用トランジスタ２５は、回転状況信号ＲＸの信号レベルに従ってオン・オフを繰り返す。この結果、送信用コイル７１には、回転状況信号ＲＸと同相の電流が流れ、送信用コイル７１は、回転状況信号ＲＸと同相の磁束を発生する。受信用ホール素子７２は、ポンプモータ制御部２０とは絶縁されているが、送信用コイル７１が発生した磁束を検出し、磁束と同相の電圧信号を生成し（即ち、回転状況信号ＲＸを復号し）、プロセッサ１２に供給する。プロセッサ１２は、この回転状況信号ＲＸを以後の制御動作に利用する。

以上説明したように、異なった電圧で動作するエンジン制御部１０とポンプモータ制御部２０とは、互いに絶縁・分離された状態にある。しかし、両回路は、必要な情報を信号伝達アイソレータ６０及び７０により磁束を介して交換して、それぞれ制御動作を行う。従って、仮に、２００Ｖの高電圧で動作しているポンプモータ制御部２０で短絡等の電気的故障が生じても、２００Ｖの高電圧がエンジン制御部１０に印加されることはなく、エンジン制御部１０は安全な状態に維持される。また、送信用コイル６１，７１と受信用ホール素子６２，７２から構成される信号伝達アイソレータ６０又は７０は、フォトカプラと異なり、耐温度特定が良好で、２００℃程度までの耐温度特性を有する。従って、高温となるエンジンルーム内等で使用しても、製品寿命が短くなる等の問題は発生しない。また、フォトカプラと異なり、送信素子と受信側素子との間に介在物が存在する場合でも、それがある程度の透磁性を有していれば、信号を送信することができる。従って、送信側素子と受信側素子との間に絶縁物や誘電体を配置し、絶縁耐力を高めることも可能である。

また、信号伝達アイソレータ６０又は７０は、トランスと異なり、直流信号を送受信することが可能である。しかも、ホール素子は、例えば、５ｍｍ×５ｍｍの如く、小型化が可能であり、信号伝達アイソレータ自体を小型化することも可能である。

なお、上記実施の形態では、１２Ｖ系回路と２００Ｖ系回路との間で、信号伝達アイソレータ６０，７０により通信を行いながら、ポンプモータ５０を制御する例を示したが、制御の対象や、各回路の電源電圧及び動作電圧は任意である。また、相互通信に限らず、一方向通信を行う回路間にも適用可能である。ただし、モータなどのアクチュエータが存在する環境は、一般に、高電圧、大電流、高温等の動作環境であることが多く、この発明は特に有効である。

上記実施の形態においては、送信用コイルを基板の一面に配置し、受信用ホール素子を基板の他面に配置する例を示したが、図４に示すように、送信用コイルと受信用ホール素子とを共に基板８０の一面に配置してもよい。

また、信号伝達アイソレータ６０をモジュール化してもよい。例えば、図５に示すように、送信用コイル６１と受信用ホール素子６２とを樹脂やセラミックなどのパッケージ９１内に封入し、送信用コイル６１に接続された電極９２，受信用ホール素子の出力端子９３、電源端子９４等を配置してモジュール化する。このような構成とすれば、通常のチップ部品と同様にして回路基板に配置することが可能である。

送信用コイルは鉄心を備えても、空心であってもよい。

上記実施の形態では、送信用コイル６１，７１を駆動するためのトランジスタ１３，２５をオン・オフ制御して、送信用コイル６１，７１を流れる電流を二値で制御したが、送信用コイル６１，７１を流れる電流を三値以上の値で制御することにより、送信用コイルと受信用ホール素子６２との間で、多値信号を送信できるようにしてもよい。また、送信用コイルに流す電流を生成する回路の構成も任意であり、スイッチング素子としてバイポーラトランジスタに代えてＦＥＴやＭＯＳを使用したり、リレーを使用することも可能である。

上記実施の形態で示した信号伝達アイソレータは、車両のエンジンルームのように高温多湿である等フォトカプラの使用に適さない環境下で使用すると特に有効であるが、良好な環境下使用することも可能である。

本発明の実施の形態に係る自動車用電子機器の制御装置を示す回路図である。 （ａ）は、回路配置の一例を示す図であり、（ｂ）は信号伝達アイソレータの構成例を示す図である。 （ａ）は信号ＴＸの波形図、（ｂ）は送信用コイルが発生する磁束の強度波形図、（ｃ）は受信用ホール素子が出力する信号の波形図である。 信号伝達アイソレータの他の構成例を示す図である。 信号伝達アイソレータをモジュール化した構成例を示す図である。

符号の説明

１０ エンジン制御部 （第１回路：第２回路）
１１ レギュレータ
１２ プロセッサ （信号生成回路：信号処理回路）
１３ 指令送信用トランジスタ （信号生成回路）
１４、１５ 過電流防止抵抗
２０ ポンプモータ制御部 （第２回路：第１回路）
２１ ＤＣ−ＤＣコンバータ
２２ プロセッサ （信号処理回路：信号生成回路）
２３ モータ駆動用ＦＥＴ
２４ 逆電流防止ダイオード
２５ モータ状態返信用トランジスタ （信号生成回路）
２６、２７ 過電流防止抵抗
６０、７０ 信号伝達アイソレータ （信号伝達素子）
６１、７１ 送信用コイル （磁束発生部）
６２、７２ 受信用ホール素子（ホール素子）
３０ １２Ｖ電源
４０ ２００Ｖ電源
５０ ポンプモータ
８０ 絶縁性基板 （絶縁性基板）
８１、８２ 磁気シールド

Claims (7)

1. 第１電圧系で動作し、電流信号を生成する信号生成回路と、該信号生成回路で生成された電流信号により磁束を発生する磁束発生部と、を備える第１回路と、
   前記第１電圧とは異なる第２電圧系で動作し、前記磁束発生部が発生した磁束を検出するホール素子と、該ホール素子の出力信号を処理する信号処理回路と、を備える第２回路と、
   を備え、第１回路で生成した信号を第２回路に伝達する回路。
2. 前記磁束発生部は、前記電流信号が流れるコイルから構成され、
   前記ホール素子は、前記コイルから離間して且つ前記コイルの軸上に配置されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の回路。
3. 前記磁束発生部は、絶縁性基板の一面に配置され、
   前記ホール素子は、前記絶縁性基板の他面に配置されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の回路。
4. 前記磁束発生部は、前記絶縁性基板の一面に対して垂直方向に磁束を発生し、前記ホール素子は前記絶縁性基板を介して前記磁束発生部に対向する位置に配置されている、
   ことを特徴とする請求項３に記載の回路。
5. 前記磁束発生部と前記ホール素子と絶縁性基板の一面に離間して配置されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の回路。
6. 第１電源電圧系の第１回路に組み込まれ、該第１回路で生成された電流信号が供給され、該電流信号に対応する磁界を発生する磁束発生部と、
   前記第１電源電圧とは異なる第２電源電圧系の第２回路に組み込まれ、前記磁束発生部が発生した磁界を検出し、検出した磁界に対応する電圧信号を出力するホール素子と、
   から構成され、第１回路で生成された信号を第２回路に伝達する信号伝達素子。
7. 前記磁束発生部と前記ホール素子は、パッケージ化されている、
   ことを特徴とする請求項６に記載の信号伝達素子。

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