JP2009273238A - 開閉体駆動制御装置及び開閉体駆動制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＰＷＭ制御における半導体デバイスの発熱や、ノイズ発生を抑え、かつ、装置の小型化を図る。
【解決手段】温度センサ３０は、半導体デバイス３の温度を検出する。マイクロコンピュータ１０は、半導体デバイス３の温度が所定の閾値以下の場合には、立上りスルーレート、立下りスルーレートを小さくした台形波で半導体デバイス３を駆動し、一方、半導体デバイス３の温度が所定の閾値に達した場合には、立上りスルーレート、立下りスルーレートを大きくした方形波で半導体デバイス３を駆動するようドライバ２０を制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、開閉体駆動制御装置及び開閉体駆動制御方法に関する。

車両の開閉体（スライドドア、テールゲート、トランクなど）を電動で開閉するシステムにおいて、駆動手段であるモータの速度制御を、半導体デバイス（パワーＭＯＳＦＥＴ）を用いてＰＷＭ制御する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

図８は、従来技術による開閉体駆動制御装置の略構成を示すブロック図である。ユーザがスイッチ４をいずれか一方に投入すると（一方が開ける操作、他方が閉じる操作）、マイクロコンピュータ１は、車両の開閉体を開閉制御すべくドライバ回路２に制御信号を供給する。ドライバ回路２は、マイクロコンピュータ１からの制御信号に従って、所定のデューティ比を有する方形波を出力し、半導体デバイス３をオン／オフ駆動する（ＰＷＭ制御）。半導体デバイス３をオン／オフ駆動することで、モータ６へ供給される駆動電流を制御する。開閉体を駆動するモータ６に供給される駆動電流のオン／オフ時間（デューティ比）を変化させることで、開閉速度を制御する。

該ＰＷＭ制御においては、ドライバ回路２からの出力信号の波形を方形波とすると、ノイズが発生しやすく、波形を台形波とすると、ノイズは抑制されるが、半導体デバイス３の発熱が大きくなることが知られている。そこで、ＰＷＭ制御における台形波の傾斜の強さを、「負荷の状態」、具体的には負荷電流に応じて制御する技術（例えば、特許文献１参照）や、台形波の傾斜の強さを、デューティ比に応じて制御する技術が知られている（例えば、特許文献２および３参照）

特開２００１−５４２９８号公報 特開２００５−１８５０５２号公報 特開２００５−１８５０５３号公報

しかしながら、上述したいずれの従来技術においても、高温環境下で、半導体デバイス３を長時間繰り返し動作させたり（開閉体を開けたり閉めたり）、流れる電流値が大きい場合には、半導体デバイス３が自己発熱により暴走または破壊し、車両の開閉体を制御できなくなってしまい、ユーザに不快な思いをさせてしまうという問題がある。

そこで、半導体デバイス３の発熱を抑制するために、図９（ａ）に示すように、半導体デバイス３が発した熱をヒートシンク８、８（または、ファン等）により放熱することが考えられる。しかしながら、ヒートシンク８、８等を用いると、図９（ｂ）に示すように、ヒートシンク８、８を実装するために、図示に斜線部分だけ基板９の外形が大きくなり、開閉体駆動制御装置が大型化するという問題がある。

また、温度センサを用いて半導体デバイス３の発熱を監視し、異常に発熱した場合に、半導体デバイス３をオフ（開閉体制御を停止）させることも考えられるが、この場合も、動作中に勝手に停止することとなるため、ユーザにとって不快になるという問題がある。

そこで本発明は、ＰＷＭ制御における半導体デバイスの発熱や、ノイズ発生を抑えることができ、かつ、装置の小型化を図ることができる開閉体駆動制御装置及び開閉体駆動制御方法を提供することを目的としている。

請求項１記載の発明は、所定のデューティ比でパルス変調された駆動信号で半導体デバイスをオンオフ制御することで、開閉体を駆動するモータへの駆動電流をＰＷＭ制御する開閉体駆動制御装置であって、前記半導体デバイスの温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段により検出された前記半導体デバイスの温度が第１の閾値に達したか否かを判断する第１の判断手段と、前記第１の判断手段による判断結果に基づいて、前記半導体デバイスを駆動する駆動信号の立上りスルーレート及び立下りスルーレートを制御する制御手段とを備えることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、前記制御手段は、前記半導体デバイスの温度が第１の閾値に達していない場合には、前記半導体デバイスを駆動する駆動信号の立上りスルーレート及び立下りスルーレートを所定の状態に保つ一方、前記半導体デバイスの温度が第１の閾値に達した場合には、前記半導体デバイスを駆動する駆動信号の立上りスルーレート及び立下りスルーレートを大きくすることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、前記半導体デバイスの温度が前記第１の閾値に達した後、前記半導体デバイスの温度が前記第１の閾値より小さい第２の閾値以下になったか否かを判断する第２の判断手段を更に具備し、前記制御手段は、前記半導体デバイスの温度が前記第１の閾値に達した後、前記第２の閾値以下にならない場合には、前記半導体デバイスを駆動する駆動信号の立上りスルーレート及び立下りスルーレートを前記所定の状態より大きくした状態を維持し、前記半導体デバイスの温度が前記第１の閾値に達した後、前記第２の閾値以下になった場合には、前記半導体デバイスを駆動する駆動信号の立上りスルーレート及び立下りスルーレートを前記所定の状態に戻すことを特徴とする。

請求項４記載の発明は、前記制御手段は、前記駆動信号を所定の傾斜をもつ台形波とすることでスルーレートを前記所定の状態に保ち、かつ、前記駆動信号を前記所定の傾斜よりも急な傾斜とすることでスルーレートを前記所定の状態より大きくすることを特徴とする。前記駆動信号を所定の傾斜よりも急な傾斜にするとは、傾斜が９０度またはそれに近い値である方形波とすることも含まれる。

また、請求項５記載の発明は、所定のデューティ比でパルス変調された駆動信号で半導体デバイスをオンオフ制御することで、開閉体を駆動するモータへの駆動電流をＰＷＭ制御する開閉体駆動制御方法であって、前記半導体デバイスの温度を検出するステップと、前記検出された前記半導体デバイスの温度が所定の閾値に達したか否かを判断するステップと、前記判断結果に基づいて、前記半導体デバイスを駆動する駆動信号の立上りスルーレート及び立下りスルーレートを制御するステップとを含むことを特徴とする。

本発明により、半導体デバイスの発熱や、ノイズ発生を抑えることができ、かつ、ヒートシンクや、ファンなどを設ける必要がなくなり、装置の小型化を図ることができる。また、異常に発熱した場合であっても、半導体デバイスをオフ（開閉体制御を停止）させる必要がないので、動作中に勝手に停止することもなく、ユーザに不快感を与えることがない。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施形態による開閉体駆動制御装置の略構成を示すブロック図である。なお、図８に対応する部分には同一の符号を付けて説明を省略する。図において、温度センサ３０は、半導体デバイス３の温度を検出し、マイクロコンピュータ１０に供給する。マイクロコンピュータ１０は、温度センサ３０によって検出された半導体デバイス３の温度が所定の閾値以下の場合には、図２（ａ）に示すように、立上りスルーレート、立下りスルーレートを小さくした台形波（立上り、立下りが緩やかな傾きを有する）で半導体デバイス３を駆動するようドライバ２０に制御信号Ｓ２、Ｓ３を送出し、一方、温度センサ３０によって検出された半導体デバイス３の温度が所定の閾値に達した場合には、図２（ｂ）に示すように、立上りスルーレート、立下りスルーレートを大きくした方形波（例えば、立上り、立下りが急峻）で半導体デバイス３を駆動するようドライバ２０に制御信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３を送出する。

ドライバ２０は、マイクロコンピュータ１０からの制御信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３に従って、図２（ａ）または図２（ｂ）に示すＰＷＭ波形を生成し、該ＰＷＭ波形の駆動信号により半導体デバイス３を駆動する。半導体デバイス３の温度が所定の閾値以下の場合には、ノイズ（ラジ雑）の問題ない台形波で動作させている。

一方、半導体デバイス３の温度が所定の閾値に達した場合には、立上りスルーレート、立下りスルーレートが大きい方形波とすることで、半導体デバイス３の温度上昇を抑えることが可能となる。方形波で動作している間は、ノイズ（ラジ雑）が発生しやすくなるが、半導体デバイス３の温度が低下すれば（閾値以下になれば）、再び、立上りスルーレート、立下りスルーレートが小さい台形波に切り替わるので、その時点で、ノイズ（ラジ雑）は発生しにくくなる。この方形波への移行、すなわち半導体デバイス３の温度が所定のしきい値に達する現象は、開閉体駆動制御装置を何回も動作させるなど、極めてまれな状況下でしか起こらないので、ノイズ（ラジ雑）の発生は問題にならない。

次に、上述したドライバ２０の構成についてより詳細に説明する。
ドライバ２０は、マイクロコンピュータ１０からの制御信号Ｓ２に従って、半導体デバイス３の駆動波形（＝出力波形）の立上りスルーレートの大小を制御するためのトランジスタＴｒ１、Ｔｒ２、Ｔｒ３と、マイクロコンピュータ１０からの制御信号Ｓ３に従って、半導体デバイス３の駆動波形（＝出力波形）の立下りスルーレートの大小を制御するためのトランジスタＴｒ４、Ｔｒ５を備えている。また、ドライバ２０は、マイクロコンピュータ１０からの制御信号Ｓ１に従って、所定の周期でハイレベル／ローレベルを繰り返す駆動信号を生成・出力制御するためのＦＥＴ１を備えている。

ＦＥＴ１は、所定の周期でローレベル（オフ）とハイレベル（オン）とを繰り返す制御信号Ｓ１でオン／オフ動作する。すなわち、制御信号Ｓ１がローレベルになると、半導体デバイス３の出力がハイレベルからローレベルに移行し、制御信号Ｓ１がハイレベルになると、半導体デバイス３の出力がローレベルからハイレベルに移行する。そして、該移行時に、制御信号Ｓ２、Ｓ３をローレベルにすることで、図２（ａ）に示すように、半導体デバイス３の駆動波形が立上りスルーレート、立下りスルーレートを小さくした台形波となり、御信号Ｓ２、Ｓ３をハイレベルにすることで、図２（ｂ）に示すように、半導体デバイス３の駆動波形が立上りスルーレート、立下りスルーレートを大きくした方形波となる。

次に、本実施形態の動作について説明する。
図３は、本実施形態によるマイクロコンピュータの動作を説明するためのフローチャートである。マイクロコンピュータ１０は、温度センサ３０の検出信号から、半導体デバイス３の温度が所定の閾値ａ（ａ：例えば、１３５℃）より大であるか否かを判断する（ステップＳ１０）。そして、半導体デバイス３の温度が所定の閾値ａ以下である場合には、制御信号Ｓ２、Ｓ３をローレベルにすることで、図２（ａ）に示すように、半導体デバイス３の駆動波形を、立上りスルーレート、立下りスルーレートを小さくした台形波とする（ステップＳ１２）。

一方、半導体デバイス３の温度が所定の閾値ａより大である場合、すなわち、温度上昇により所定の閾値ａ（例えば、１３５℃）を超えた場合には、御信号Ｓ２、Ｓ３をハイレベルにすることで、図２（ｂ）に示すように、半導体デバイス３の駆動波形を、立上りスルーレート、立下りスルーレートを大きくした方形波とする（ステップＳ１４）。

該方形波で駆動している間、マイクロコンピュータ１０は、温度センサ３０の検出信号から、半導体デバイス３の温度が所定の閾値ｂ（ａ＞ｂ、ｂ：例えば、１２０℃）より大であるか否かを判断する（ステップＳ１６）。なお、上記閾値ａ（規定温度）は、半導体デバイス３（ＦＥＴ）のジャンクション温度にディレーティングを乗算して決定すればよい。一例として、ジャンクション温度１５０℃の場合、９０％の１３５℃を上記閾値ａ（規定温度）としている。但し、閾値ｂについては、試験により適切な値に設定する。

そして、半導体デバイス３の温度が所定の閾値ｂ（例えば、１２０℃）より大である場合には、まだ、半導体デバイス３の温度が十分に下がっていないと判断し（ステップＳ１６のＹＥＳ）、ステップＳ１４に戻る。すなわち、図２（ａ）に示すように、半導体デバイス３の駆動波形を、立上りスルーレート、立下りスルーレートを大きくした方形波とした状態を維持する。

そして、半導体デバイス３の温度が所定の閾値ｂ（例えば、１２０℃）以下となると、半導体デバイス３の温度が十分に下がったと判断し（ステップＳ１６のＮＯ）、ステップＳ１２に進み、図２（ｂ）に示すように、半導体デバイス３の駆動波形を、立上りスルーレート、立下りスルーレートを小さくした台形波に戻す。
以降、上述した動作を繰り返す。

次に、上述した動作について回路図を用いて説明する。
図４及び図５は、本実施形態において、半導体デバイスの温度が閾値ａを超えていない場合（通常時）の動作を説明するための回路図である。半導体デイバス３の温度が許容範囲にある場合には、マイクロコンピュータ１０は、図４に示すように、制御信号Ｓ２、Ｓ３をローレベル（ＬＯＷ）とする。これにより、トランジスタＴｒ１、Ｔｒ２がオフ（ＯＦＦ）、トランジスタＴｒ４がオフ（ＯＦＦ）となる。このとき、マイクロコンピュータ１０からの制御信号Ｓ１がローレベル（ＬＯＷ）となると、ＦＥＴ１がオフ（ＯＦＦ）となり、トランジスタＴｒ３がオン（ＯＮ）、さらに、トランジスタＴｒ５がオフ（ＯＦＦ）となる。

このとき、トランジスタＴｒ２がオフ（ＯＦＦ）であるので、バッテリ５から半導体デバイス３への電流Ｉ１の大きさに応じて、半導体デバイス３の出力波形の立下りスルーレートが変わる。より具体的には、電流値を大きくするほど、スルーレートが大きくなり（傾きが急峻になる）、電流値を小さくするほど、スルーレートが小さくなる（傾きが緩やかになる。そこで、この状態で半導体デバイス３の出力波形の立下りが適当な角度の傾斜を有するように回路定数を設計しておく。これにより、半導体デバイス３の出力波形の立下りスルーレートが小さくなり、適当な角度の傾斜を有するようになる。

また、制御信号Ｓ２、Ｓ３がローレベル（ＬＯＷ）の状態で、マイクロコンピュータ１０からの制御信号Ｓ１が、図５に示すように、ハイレベル（ＨＩＧＨ）になると、ＦＥＴ１がオン（ＯＮ）となり、トランジスタＴｒ３がオフ（ＯＦＦ）、さらに、トランジスタＴｒ５がオン（ＯＮ）となる。このとき、トランジスタＴｒ４がオフ（ＯＦＦ）であるので、半導体デバイス３からグランド（バッテリ５のマイナス）への電流Ｉ２の大きさに応じて、半導体デバイス３の出力波形の立上りスルーレートが変わる。より具体的には、電流値を大きくするほど、スルーレートが大きくなり（傾きが急峻になる）、電流値を小さくするほど、スルーレートが小さくなる（傾きが緩やかになる。そこで、この状態で半導体デバイス３の出力波形の立上りが適当な角度の傾斜を有するように回路定数を設計しておく。これにより、半導体デバイス３の出力波形の立上りスルーレートが小さくなり、適当な角度の傾斜を有するようになる。

以降、マイクロコンピュータ１０は、制御信号Ｓ２、Ｓ３をローレベル（ＬＯＷ）とした状態で、所定の周期で制御信号Ｓ１をローレベル（ＬＯＷ）、ハイレベル（ＨＩＧＨ）とすることを繰り返す。これにより、半導体デバイス３は、立上りスルーレート及び立下りスルーレートが小さな台形波で駆動されることになる。この場合、ノイズ（ラジ雑）の問題ない台形波で動作させているので、ノイズ発生の問題はない。

次に、図６及び図７は、本実施形態において、半導体デバイス３の温度が上昇し、所定の閾値ａを超えた場合の動作を説明するための回路図である。半導体デバイス３の温度が上昇し、所定の閾値ａを超えた場合、マイクロコンピュータ１０は、図６に示すように、制御信号Ｓ２、Ｓ３をハイレベル（ＨＩＧＨ）とする。これにより、トランジスタＴｒ１、Ｔｒ２がオン（ＯＮ）、トランジスタＴｒ４がオン（ＯＮ）となる。このとき、マイクロコンピュータ１０からの制御信号Ｓ１がローレベル（ＬＯＷ）となると、ＦＥＴ１がオフ（ＯＦＦ）となり、トランジスタＴｒ３がオン（ＯＮ）、さらに、トランジスタＴｒ５がオフ（ＯＦＦ）となる。

このとき、トランジスタＴｒ２がオン（ＯＮ）であるので、バッテリ５から半導体デバイス３への電流Ｉ１が大きくなり、半導体デバイス３の出力波形の立下りスルーレートが大きくなる。すなわち、半導体デバイス３の出力波形の立下りの傾きが急峻になる（方形波となる）。

また、マイクロコンピュータ１０からの制御信号Ｓ１が、図７に示すように、ハイレベル（ＨＩＧＨ）となると、ＦＥＴ１がオン（ＯＮ）となり、トランジスタＴｒ３がオフ（ＯＦＦ）、さらに、トランジスタＴｒ５がオン（ＯＮ）となる。

このとき、トランジスタＴｒ４がオン（ＯＮ）であるので、半導体デバイス３からグランド（バッテリ５のマイナス）への電流Ｉ２が大きくなり、半導体デバイス３の出力波形の立上りスルーレートが大きくなる。すなわち、半導体デバイス３の出力波形の立上りの傾きが急峻になる（方形波となる）。

以降、マイクロコンピュータ１０は、制御信号Ｓ２、Ｓ３をハイレベル（ＨＩＧＨ）とした状態で、所定の周期で制御信号Ｓ１をローレベル（ＬＯＷ）、ハイレベル（ＨＩＧＨ）とすることを繰り返す。これにより、半導体デバイス３は、立上りスルーレート及び立下りスルーレートが大きな方形波で駆動されることになる。この結果、半導体デバイス３の温度上昇が抑えられる。そして、半導体デバイス３の温度が下がれば、上述した台形波での駆動に戻ることになる。

上述した実施形態によれば、モータ等の負荷に供給する電力をＰＷＭ制御する際に、モータへの駆動電流を制御する半導体デバイスの温度を温度センサにより検出し、半導体デバイスの温度が許容範囲内である場合には、半導体デバイスを駆動する波形の立上りスルーレート、立下りスルーレートが小さな台形波とし、半導体デバイス３の温度が許容範囲を超えた場合には、半導体デバイス３を駆動する波形の立上りスルーレート、立下りスルーレートを大きくして方形波とすることで、半導体デバイス３の発熱や、ノイズ発生を抑えることができ、かつ、ヒートシンクや、ファンなどを設ける必要がなくなり、装置の小型化を図ることができる。また、異常に発熱した場合であっても、半導体デバイス３をオフ（開閉体制御を停止）させる必要がないので、動作中に勝手に停止することもない。

なお、上述した実施形態では、「台形波」と「方形波」としたが、「台形波」「方形波」の二者択一ではなく、立上りスルーレート、立下りスルーレート（傾き）を変えた複数種類の台形波を生成するようにして、半導体デバイス３の温度に応じて、適用する台形波を変えることにより、半導体デバイス３の温度上昇を抑制するように制御してもよい。

以上の説明では、車両のウィンドウ開閉用のモータ制御装置及びモータ制御方法への適用例を示しているが、これに限定されないことはもちろんである。ＰＷＭ制御法を採用するモータ制御装置及びモータ制御方法であって、かつ、電子パワーデバイスの発熱問題を抑制するという技術課題を持つあらゆる分野のモータ制御装置及びモータ制御方法に適用することができる。

本発明の実施形態による開閉体駆動制御装置の略構成を示すブロック図である。 本実施形態で用いる台形波と方形波とを示す図である。 本実施形態によるマイクロコンピュータの動作を説明するためのフローチャートである。 本実施形態において、半導体デバイスの温度が閾値ａを超えていない場合（通常時）の動作を説明するための回路図である。 本実施形態において、半導体デバイスの温度が閾値ａを超えていない場合（通常時）の動作を説明するための回路図である。 本実施形態において、半導体デバイス３の温度が上昇し、所定の閾値ａを超えた場合の動作を説明するための回路図である。 本実施形態において、半導体デバイス３の温度が上昇し、所定の閾値ａを超えた場合の動作を説明するための回路図である。 従来技術による開閉体駆動制御装置の略構成を示すブロック図である。 従来技術による開閉体駆動制御装置でヒートシンクを設けた場合の構造を示す模式図である。

符号の説明

３ 半導体デバイス
４ スイッチ部
５ バッテリ
６ モータ
１０ マイクロコンピュータ
２０ ドライバ
３０ 温度センサ
Ｔｒ１〜Ｔｒ５ トランジスタ

Claims (5)

1. 所定のデューティ比でパルス変調された駆動信号で半導体デバイスをオンオフ制御することで、開閉体を駆動するモータへの駆動電流をＰＷＭ制御する開閉体駆動制御装置であって、
   前記半導体デバイスの温度を検出する温度検出手段と、
   前記温度検出手段により検出された前記半導体デバイスの温度が第１の閾値に達したか否かを判断する第１の判断手段と、
   前記第１の判断手段による判断結果に基づいて、前記半導体デバイスを駆動する駆動信号の立上りスルーレート及び立下りスルーレートを制御する制御手段と
   を備えることを特徴とする開閉体駆動制御装置。
2. 前記制御手段は、
   前記半導体デバイスの温度が第１の閾値に達していない場合には、前記半導体デバイスを駆動する駆動信号の立上りスルーレート及び立下りスルーレートを所定の状態に保つ一方、前記半導体デバイスの温度が第１の閾値に達した場合には、前記半導体デバイスを駆動する駆動信号の立上りスルーレート及び立下りスルーレートを大きくすることを特徴とする請求項１記載の開閉体駆動制御装置。
3. 前記半導体デバイスの温度が前記第１の閾値に達した後、前記半導体デバイスの温度が前記第１の閾値より小さい第２の閾値以下になったか否かを判断する第２の判断手段を更に具備し、
   前記制御手段は、
   前記半導体デバイスの温度が前記第１の閾値に達した後、前記第２の閾値以下にならない場合には、前記半導体デバイスを駆動する駆動信号の立上りスルーレート及び立下りスルーレートを前記所定の状態より大きくした状態を維持し、前記半導体デバイスの温度が前記第１の閾値に達した後、前記第２の閾値以下になった場合には、前記半導体デバイスを駆動する駆動信号の立上りスルーレート及び立下りスルーレートを前記所定の状態に戻すことを特徴とする請求項２記載の開閉体駆動制御装置。
4. 前記制御手段は、前記駆動信号を所定の傾斜をもつ台形波とすることでスルーレートを前記所定の状態に保ち、かつ、前記駆動信号を前記所定の傾斜よりも急な傾斜とすることでスルーレートを前記所定の状態より大きくすることを特徴とする、請求項２または３記載の開閉体駆動制御装置。
5. 所定のデューティ比でパルス変調された駆動信号で半導体デバイスをオンオフ制御することで、開閉体を駆動するモータへの駆動電流をＰＷＭ制御する開閉体駆動制御方法であって、
   前記半導体デバイスの温度を検出するステップと、
   前記検出された前記半導体デバイスの温度が所定の閾値に達したか否かを判断するステップと、
   前記判断結果に基づいて、前記半導体デバイスを駆動する駆動信号の立上りスルーレート及び立下りスルーレートを制御するステップと
   を含むことを特徴とする開閉体駆動制御方法。
   

Images