JP2011031644A - 車両用シートベルトリトラクター制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の課題は、シートベルトリトラクター装置の信頼性を向上させ、乗員に対する安全性を向上させることである。
【解決手段】本発明に係る車両用シートベルトリトラクター制御装置は、モータ駆動回路から前記モータに出力される電流が第１電流となるように、当該モータ駆動回路をＰＷＭ制御する第１制御モードと、前記モータ駆動回路から前記モータに出力される電流が前記第１電流とは異なる第２電流となるように、当該モータ駆動回路をＰＷＭ制御する第２制御モードと、を備え、前記第１制御モードのスイッチング周波数と前記第２制御モードのスイッチング周波数を異ならせる。
【選択図】 図１０

Description

本発明は、ＰＷＭ制御にて駆動されるモータ制御回路の制御装置に関し、特に、車両用シートベルトリトラクター制御装置に関する。

従来の装置は、特開平７−３３７０２９号公報（特許文献１）に記載のインバータファンモータの安全装置では、インバータの出力電流がその制限値よりも大きくなった場合には、インバータの主回路の全てのスイッチング素子をオフ状態としてインバータの出力を遮断し、当該主回路の各スイッチング素子に対するスイッチング周波数をその定常運転状態における値よりも低く設定していた。

また、他の従来の装置は、特開平１１−６９８３０号公報（特許文献２）に記載のインバータ装置のように、パルス幅変調（ＰＷＭ）を制御する制御装置を備えたインバータ装置において、過負荷検出器からの出力がない通常時には分周装置は予め定められた所定の周波数を出力し、過負荷検出器からの出力がある過負荷時には分周装置は所定の周波数より低い周波数を出力していた。

しかしながら、上記従来技術では、出力電流がその制限値よりも大きくなった場合、あるいは、過負荷検出器からの出力があるには、周波数を低く設定する制御装置であった。このため、シートベルトリトラクター制御装置においては、過負荷および過負荷による過温度状態を検出した時点でモータ制御回路の過負荷保護機能が動作し、モータへの通電を停止する。すなわち、シートベルトの動作停止により、乗員を拘束する張力を維持できないおそれがあった。

特開平７−３３７０２９号公報 特開平１１−６９８３０号公報

本発明の課題は、シートベルトリトラクター装置の信頼性を向上させ、乗員に対する安全性を向上させることである。

本発明に係る車両用シートベルトリトラクター制御装置は、モータ駆動回路から前記モータに出力される電流が第１電流となるように、当該モータ駆動回路をＰＷＭ制御する第１制御モードと、前記モータ駆動回路から前記モータに出力される電流が前記第１電流とは異なる第２電流となるように、当該モータ駆動回路をＰＷＭ制御する第２制御モードと、を備え、前記第１制御モードのスイッチング周波数と前記第２制御モードのスイッチング周波数を異ならせる。

これにより、大きな電流を流す可能性がある制御モードの周波数を小さく設定できるので、モータ駆動回路の発熱を抑制し、シートベルトリトラクター装置の信頼性を向上させ、乗員に対する安全性を向上させることができる。

また、好ましくは、本発明に係る車両用シートベルトリトラクター制御装置は、前記第１制御モードは、前記シートベルトリトラクターがシートベルトを巻き取るように前記モータを駆動させる巻き取り制御モードであり、前記第２制御モードは、前記シートベルトリトラクターがシートベルトを引き出すように前記モータを駆動させる引き出し制御モードであり、前記巻き取り制御モードのスイッチング周波数は、前記引き出し制御モードのスイッチング周波数よりも小さい。

また、好ましくは、本発明に係る車両用シートベルトリトラクター制御装置は、前記第１制御モードは、前記モータが駆動力を発生させてから第１所定時間の間に乗員をシートベルトに拘束するように前記シートベルトリトラクターを制御する緊急時制御モードであり、前記第２制御モードは、前記緊急時制御モードの前記第１所定時間よりも大きい第２所定時間の間に所定の締め付け力でシートベルトに乗員を固定するように、前記シートベルトリトラクターを制御するシートベルト格納制御モードであり、前記緊急時制御モードのスイッチング周波数は、前記シートベルト格納制御モードのスイッチング周波数よりも小さい。

また、好ましくは、本発明に係る車両用シートベルトリトラクター制御装置は、当該車両用シートベルトリトラクター制御装置の周辺温度又は当該車両用シートベルトリトラクター制御装置に用いられる制御用部品の温度を検知するための検知回路部を備え、前記検知回路部の検知結果が第１所定温度よりも低い場合には、前記緊急時制御モードは、前記シートベルト格納制御モードのスイッチング周波数に近づけるように、当該緊急時制御モードのスイッチング周波数を大きくする。

また、好ましくは、本発明に係る車両用シートベルトリトラクター制御装置は、当該車両用シートベルトリトラクター制御装置の周辺温度又は当該車両用シートベルトリトラクター制御装置に用いられる制御用部品の温度を検知するための検知回路部を備え、前記検知回路部の検知結果が第２所定温度よりも高い場合には、前記シートベルト格納制御モードは、前記緊急時制御モードのスイッチング周波数に近づけるように、前記シートベルト格納制御モードのスイッチング周波数を小さくする。

また、好ましくは、本発明に係る車両用シートベルトリトラクター制御装置は、前記第１制御モードは、前記モータが駆動力を発生させてから所定時間の間に乗員をシートベルトに拘束するように前記シートベルトリトラクターを制御する緊急時制御モードであり、前記第２制御モードは、前記緊急時制御モードにおける前記モータ駆動回路に流れる電流よりも小さい電流を前記モータに流すように制御し、かつ乗員に警告を発するための警告制御モードであり、前記緊急時制御モードのスイッチング周波数は、前記警告制御モードのスイッチング周波数よりも小さい。

また、好ましくは、本発明に係る車両用シートベルトリトラクター制御装置は、前記警告制御モードにより警告回数が所定回数以上である場合には、前記警告制御モードのスイッチング周波数を前記緊急時制御モードのスイッチング周波数に近づけるように小さくする。

本発明により、シートベルトリトラクター装置の信頼性を向上させ、乗員に対する安全性を向上させることができる。

本実施形態にかかる車両における安全装置接続図である。 本実施形態にかかるシートへの乗員拘束図である。 本実施形態にかかる機電一体型リトラクターの分解斜視図である。 本実施形態にかかる機能ブロック図である。 （Ａ）は本実施形態にかかる緊急時の電流経路説明図である。（Ｂ）は本実施形態にかかるベルト格納時、警告時の電流経路説明図である。（Ｃ）は本実施形態にかかるベルトリリース時の電流経路説明図である。 従来の方法におけるフィードバック系ブロック線図である。 （Ａ）は本実施形態にかかるフィードバック系ブロック線図である。（Ｂ）は、本実施形態にかかるスイッチング周波数決定フロー説明図である。 本実施形態にかかるＭＯＳＦＥＴの電流・電圧波形である。 従来の方法における駆動周波数と発熱の関係である。 本実施形態にかかる駆動周波数と発熱の関係である。 本実施形態にかかる駆動回数と温度上昇の関係図である。

（実施例）
先ず図１に、車両における衝突安全装置の結線図を示す。車両１１２には、障害物との距離に応じた信号を出力する障害物センサ１０２が、車両前方部に取り付けられている。障害物センサ１０２の出力信号は、障害物センサ１０２と電気的に接続された衝突判断コントローラ１０６に伝達される。また、車両の速度に応じた信号を出力する車輪速度センサ１０４の信号も、車輪速度センサ１０４と電気的に接続された衝突判断コントローラ１０６に伝達される。衝突判断コントローラ１０６は、障害物センサ１０２と車輪速度センサ１０４の信号に基づき、車両１１２が障害物と衝突するか否かを判断する。例えば、障害物センサ１０２の出力信号から得られた障害物との距離が所定の値より短く、かつ、車輪速度センサ１０４の出力信号から得られた車両速度が所定の値より速い場合には、衝突判断コントローラ１０６は車両１１２が障害物と衝突すると判断し、車両１１２が障害物と衝突する前に、ブレーキアシスト装置１０８とシートベルト駆動コントローラ１１０に指令信号を出力する。

ブレーキアシスト装置１０８とシートベルト駆動コントローラ１１０は、衝突判断コントローラ１０６と電気的に接続されており、衝突判断コントローラ１０６の指令信号に基づき、それぞれ、あらかじめ定められた動作を実行する。シートベルト駆動コントローラ１１０はリトラクター１００に内包されており、リトラクター１００への給電を制御している。

図２に、シートへの乗員拘束図を示す。リトラクター１００にはモータ２００が付設されており、モータ２００が回転することによりシートベルト２０６の巻き取りが可能となっている。例えば、乗員２０２が車両１１２を運転している状態において、乗員２０２が車両前方方向に微小ではあるが移動し、乗員２０２とシート２０４との間に空隙が生じている場合を考える。このような状況において、車両１１２が障害物と衝突した場合、乗員はシート２０４に拘束されていない状態であるため、シート２０４に強く打ちつけられてしまう。しかし、本システムによれば、リトラクター１００に付設されたモータ２００を動作させ、車両１１２と障害物が衝突する前にシートベルト２０６を巻き取ることにより、乗員２０２とシート２０４との間隙をなくすことが可能である。従って、車両１１２と障害物が衝突する時点では、すでに乗員２０２をシート２０４に拘束した状態であるため、乗員２０２への衝撃を緩和することができる。

また、車輪速度センサ１０４の出力が所定の変化量を超えた場合、つまり車両１１２が急発進あるいは急停止をした場合には、シートベルト２０６の巻き取り動作を瞬間的に繰り返すことで乗員２０２に警告を促すことも考えられる。

また、同様に、車輪速度センサ１０４の出力が所定の値を超えた場合、つまり車両１１２が所定の走行速度を超えた場合、シートベルト２０６の巻き取り動作を瞬間的に繰り返すことで乗員２０２に警告を促すことも考えられる。

図３にリトラクターの一つである機電一体型リトラクター１００の分解斜視図を示す。機電一体型リトラクター１００は、シートベルト２０６を巻きとるためのスプール３００とスプール３００に回転力を伝達するギアが収納されたギアボックス３２２、ギアボックス３２２内のギアに勘合して、電気的エネルギーを回転力に変換するモータ２００、このモータ２００に接続されたモータ端子３１０を介して、モータ２００へ電力が供給する回路基板３１４からなる。さらには、計算処理をつかさどるCentral Processing Unit（以下、ＣＰＵ）４１２や車両に搭載された他の制御装置との通信や車両バッテリから電力供給を受けるためのコネクタ３１２，ＣＰＵ４００の指令に基づきモータ２００への電力供給を切り替えるモータドライバ回路４１０等が回路基板３１４上に実装されている。なお、モータドライバ回路４１０は、例えば、ＤＣモータ駆動用のためのＨブリッジやブラシレスモータ駆動用の３相駆動回路などが考えられる。また、回路基板３１４上に実装されたＣＰＵ４００には、FlashＲＯＭなどの不揮発性メモリが内包されており、この不揮発性メモリには、ＣＰＵ４００にて実行されるプログラムが保存されている。

図４に機電一体型リトラクターの機能ブロック図を示す。回路基板３１４には、計算処理をつかさどるＣＰＵ４００，車両バッテリ電源から定電圧を生成する電源回路部４０２，車両の他の制御装置４１４との通信を行うControl Area Network（以下、ＣＡＮ）通信部４０４，ドアスイッチ４１６などの車両情報をスイッチ入力として取り込むスイッチ入力部４０６，モータ２００の制御パラメータなどを保存するＥＥＰＲＯＭに代表される不揮発性メモリ４０８，ＣＰＵ４００の指令に基づきモータ２００への電力供給を切り替えるモータドライバ回路４１０，モータ２００に流れる電流を計測する電流計測部４１２等が実装されている。モータ２００に流れる電流はモータ２００により回転力に変換され、さらには、ギアボックス３２２を介して、スプール３００に伝達される。スプール３００に伝達された回転力により、シートベルト２０６の巻き取り動作や緩み動作が実現される。

ＣＰＵ４００では、ＣＡＮ通信部４０４やスイッチ入力部４０６から入力された情報により、シートベルト２０６の動作モードを決定する。この動作モードは予め決められており、ＣＰＵ４００に実装されたソフトウェアプログラムによって記述されている。ＣＰＵ４００は、ソフトウェアプログラムを実行することにより、各種動作を実現する。

シートベルトリトラクターの場合、動作モードとしては、緊急時の動作や、警告を目的とした動作、あるいは、シートベルトの巻き取りを解除する動作が考えられる。本実施形態では、それぞれの動作に応じたモータ出力トルクを出すことを実現するために、Pulse Width Modulation（以下、ＰＷＭ）制御を採用している。

図５（Ａ），図５（Ｂ），図５（Ｃ）に、緊急時の動作や、警告を目的とした動作、あるいは、シートベルトの巻き取りを解除する動作の駆動モードにおけるモータ電流の流れる経路とモータドライバ回路４１０を構成するＭＯＳＦＥＴ（４１０ａ，４１０ｂ，４１０ｃ，４１０ｄ）のスイッチング状態を示す。

図５（Ａ）に緊急時の動作におけるモータ電流の流れる経路とモータドライバ回路４１０を構成するＭＯＳＦＥＴ（４１０ａ，４１０ｂ，４１０ｃ，４１０ｄ）のスイッチング状態を示す。

図５（Ｂ）に警告を目的とした動作におけるモータ電流の流れる経路とモータドライバ回路４１０を構成するＭＯＳＦＥＴ（４１０ａ，４１０ｂ，４１０ｃ，４１０ｄ）のスイッチング状態を示す。

図５（Ｃ）にシートベルトの巻き取りを解除する動作におけるモータ電流の流れる経路とモータドライバ回路４１０を構成するＭＯＳＦＥＴ（４１０ａ，４１０ｂ，４１０ｃ，４１０ｄ）のスイッチング状態を示す。

バッテリの正極（図中ＶＢ）には、負荷であるモータ２００のバッテリ側（以下、ハイサイド側）に設置されたＰチャンネルであるＭＯＳＦＥＴ４１０ａとＰチャンネルであるＭＯＳＦＥＴ４１０ｃのソース電極が接続され、これらのドレイン電極がモータ２００、そして、負荷であるモータ２００のＧＮＤ側（以下、ローサイド側）に設置されたＮチャンネルであるＭＯＳＦＥＴ４１０ｂとＮチャンネルであるＭＯＳＦＥＴ４１０ｄのドレイン電極に接続されている。また、ＮチャンネルＭＯＳＦＥＴ４１０ｂとＮチャンネルＭＯＳＦＥＴ４１０ｄのソース電極は車両バッテリの負極に接続されている。ここで、ハイサイド側に接続されたＰチャンネルＭＯＳＦＥＴは、例えば昇圧回路を有する駆動回路など、それを駆動回路によってはＮチャンネルＭＯＳＦＥＴでも代用が可能である。

図５（Ａ）にリトラクターの緊急時の電流経路を示す。ＰチャンネルＭＯＳＦＥＴのひとつであるＰチャンネルＭＯＳＦＥＴ４１０ａは常時オンとなり、このオン状態の間、所定の周期にてＮチャンネルＭＯＳＦＥＴ４１０ｄがオン状態とオフ状態を繰り返す。ここで、オン状態をＭＯＳＦＥＴの通電状態、オフ状態をＭＯＳＦＥＴの非通電状態とする。ＮチャンネルＭＯＳＦＥＴ４１０ｄがオン状態の間は、バッテリの正極からバッテリの負極方向にモータ電流が流れる（電流経路５００）が、ＮチャンネルＭＯＳ４１０ｄがオフ状態の間はモータ２００のインダクタンス成分によって回生電流が発生し、電流経路５０２の経路に電流が流れる。

この回生電流はＰチャンネルＭＯＳＦＥＴ４１０ｃにもながれるため、ＰチャンネルＭＯＳＦＥＴ４１０ｃがオフ状態において、内部の寄生ダイオードに電流がながれ、回生電流５０２と寄生ダイオードで発生する電圧降下の積によるＰチャンネルＭＯＳＦＥＴ４１０ｃの発熱が大きくなるため、回生電流が発生している時間はＰチャンネルＭＯＳＦＥＴ４１０ｃをオン状態にすることにより、ＰチャンネルＭＯＳＦＥＴ４１０ｃで発生する発熱を低減する。上記により、ＮチャンネルＭＯＳＦＥＴ４１０ｄとＰチャンネルＭＯＳＦＥＴ４１０ｃは互いに逆相（オン状態とオフ状態を互いに交互に繰り返す）の関係で、オン状態とオフ状態をくりかえす。このオン状態とオフ状態を繰り返す周期を、以下、スイッチング周期と呼び、スイッチング周期の逆数をスイッチング周波数と呼ぶ。ＰチャンネルＭＯＳＦＥＴ４１０ｄがオン状態のオン状態とオフ状態の一周期に対する割合をＤｕｔｙ比とよび、Ｄｕｔｙ比が高いほど、モータ２００に供給される電流が増加する。緊急時においては、１００msec〜２００msecの間の短時間において、瞬間的にシートベルト２０６の緩みをとり、乗員をシートに拘束する必要あるため、モータ２００の出力トルクは高く設定される。このため、Ｄｕｔｙ比も７０％以上に設定されることが多い。

図５（Ｂ）に、リトラクターのベルト格納時、あるいは、警告時の電流経路を示す。電流経路は図５（Ａ）と同様であるが、緊急時と異なり、短時間で瞬間的な大電流は不要であり、２秒〜１０秒程度の比較的長い時間にわたり、例えば５Ａ〜１０Ａ程度の電流が必要となる。この場合も、シートベルト２０６を巻き取る方向にモータを回転させるため、ＰチャンネルＭＯＳＦＥＴ４１０ａを常時オン状態とし、Ｄｕｔｙ比に従い、下流のＮチャンネルＭＯＳＦＥＴ４０１ｄを、オン状態とオフ状態を繰り返すＰＷＭ制御により駆動する。ＮチャンネルＭＯＳＦＥＴ４０１ｄのオン状態においては、電流経路５０４の経路にてモータ２００に電流が供給される。ＮチャンネルＭＯＳＦＥＴ４０１ｄのオフ状態においては、電流経路５０６の経路にてモータ２００の回生電流が発生するため、ＰチャンネルＭＯＳＦＥＴ４１０ｃをオン状態とすることで、電流経路５０６によるＰチャンネルＭＯＳＦＥＴ４１０ｃで発生する発熱を抑制する。ベルト格納時、あるいは、警告時は、緊急時とくらべモータ駆動回路に流れる電流が小さいため、緊急時の動作と比較し、ＰチャンネルＭＯＳＦＥＴ４１０ａあるいは、ＰチャンネルＭＯＳＦＥＴ４１０ｃ、そしてＮチャンネルＭＯＳＦＥＴ４１０ｄで発生する発熱は、少ない。

次に図５（Ｃ）にリトラクターのベルトリリース時の電流経路を示す。ベルトリリース時は、緊急時やベルト格納時とは逆回転方向にモータを駆動する。このため、モータドライバ回路の動作も、上記とは異なる。ＰチャンネルＭＯＳ４１０ｃが常時ＯＮ状態となり、Ｄｕｔｙ比に従い、下流ＮチャンネルＭＯＳＦＥＴ４１０ｂを、オン状態とオフ状態を繰り返すＰＷＭ制御により駆動する。ＮチャンネルＭＯＳＦＥＴ４１０ｂがオン状態においては、電流経路５０８の経路にて、モータ２００に電流が供給される。ＮチャンネルＭＯＳＦＥＴ４１０ｂのオフ状態においては、電流経路５１０の経路にてモータ２００の回生電流が流れるため、ＰチャンネルＭＯＳＦＥＴ４１０ａをオン状態とすることで、電流経路５１０によるＰチャンネルＭＯＳＦＥＴ４１０ａで発生する発熱を抑制する。

一般的に、ＰＷＭ制御のスイッチング周波数は、可聴周波数領域よりも高周波域に設定されるため、１６Ｋｈｚ以上に設定されることが多い。Ｄｕｔｙ比は、オン時間／ＰＷＭ周期ｘ１００［％］で定義され、Ｄｕｔｙ比が大きくなるほど、モータへ供給される電流は増加する。

例えば、図５（Ａ）に示す緊急時の動作においては、２０Ａ〜３０Ａ程度の電流をモータへ供給する必要があるため、Ｄｕｔｙ比は７０％〜９０％に設定される。

例えば、図５（Ｂ）に示すベルト格納時、あるいは、警告時の動作においては、５Ａ〜１０Ａ程度の電流をモータへ供給する必要があるため、Ｄｕｔｙ比は２０％〜５０％に設定される。

例えば、図５（Ｃ）に示すベルトリリース時においては、２Ａ〜３Ａ程度の電流をモータへ供給する必要があるため、Ｄｕｔｙ比は５％〜１０％に設定される。

図６および図７（Ａ）に、ぞれぞれ、従来の方法と本発明の方法によるリトラクターにおけるモータ電流制御のフィードバック系ブロック図を示す。従来の方法では、動作モードを決定（６００）したのち、動作モードに従って目標電流を決定（６０２）する。例えば、緊急時の動作であれば、目標電流は２０Ａとし、さらに、ベルト格納時の動作であれば、目標電流を１０Ａと設定する。次に、現在の電流値を電流検知部（６０４）より読み込み、目標電流値との差（以下電流偏差差）を、ＣＰＵに実装されたプログラムのコントローラ（６０６）に入力する。コントローラ（６０６）では、電流偏差に基づきＰＩＤ制御などの方式を用いＰＷＭ制御のＤｕｔｙ比を算出し、駆動回路（６０８）に指令信号を出力する。この方法では、動作モードに関わらず、一定のスイッチング周波数を用いていており、例えば、緊急時あるいはベルト格納時において、共通のスイッチング周波数１６Ｋｈｚを用いることが考えられる。

図７（Ａ）における本実施形態によるモータ電流制御のフィードバック系ブロック図においては、はじめに駆動モードが決定され（６００）、つぎに、駆動モードに応じたスイッチング周波数が決定される（７０２）。ここで、スイッチング周波数は、例えば、緊急時の動作においては１０Ｋｈｚに設定され、ベルト格納時、あるいは、ベルトリリース時は２０ｋｈｚに設定される。次に、現在の電流値を電流検知部（６０４）より読み込み、目標電流値との差（以下電流偏差）をコントローラ（６０６）に入力する。コントローラ（６０６）では、電流偏差に基づきＰＩＤ制御などの方式を用い、ＰＷＭ制御のＤｕｔｙ比を算出し、駆動回路（６０８）に指令信号を出力する。この方法では、駆動モードによりスイッチング周波数を切り替えることが可能である。

図７（Ｂ）にスイッチング周波数を決定するフローチャートを示す。駆動モードがモード１であるか否かを判定（７０４）し、駆動モードがモード１である場合には、スイッチング周波数を、例えば１０Ｋｈｚに設定（７０６）し、モードがモード２であるか否かを判定（７０８）し、駆動モードがモード２である場合は、スイッチング周波数を、例えば１６Ｋｈｚに設定（７１０）し、さらには、駆動モードがモード１でもなく、かつ、モード２でもない場合には、スイッチング周波数は、例えば２０Ｋｈｚと設定される（７１２）。

リトラクター装置において、例えば駆動モード１はベルトリリース時の動作、駆動モード２はベルト格納時あるいは警告時の動作、駆動モード３は緊急時の動作と定義することが考えられる。また、例えば、リトラクター制御装置の周囲温度又はリトラクター制御装置の制御用部品の温度を検知するための検知回路部を備えて、当該検知回路部の検知結果に基づいて、動作モードを切り替えても良い。例えば、周囲温度が０℃以下など低温である場合は、緊急時やベルト格納時などの駆動モードによらず、動作モード３と定義し、スイッチング周波数を２０Ｋｈｚまたは２０Ｈｈｚに近づけるように設定する。反対に、周囲温度が１００℃を超える場合は、緊急時やベルト格納時などの駆動モードによらず、動作モード１と定義し、スイッチング周波数を１０Ｋｈｚまたは１０Ｈｈｚに近づけるようにと設定する。

さらには、駆動頻度により動作モードを切り替えても良い。たとえば、単位時間あたりの警告動作の発生回数が１０回未満の場合、動作モード２と定義し、スイッチング周波数を１６Ｋｈｚ又は１６Ｋｈｚに近づけるように設定する。あるいは、単位時間あたりの警告動作発生回数が１０回以上の場合、動作モード１と定義し、スイッチング周波数を１０Ｋｈｚまたは１０ｋｈｚに近づけるように設定する。

次に、ＰＷＭ制御におけるＭＯＳＦＥＴの発熱について説明する。図８にＭＯＳＦＥＴのＰＷＭ制御のスイッチング動作における電流・電圧波形を示す。ここで、電流とはＭＯＳＦＥＴのドレイン―ソース間を流れるドレイン電流（以下ＩＤ）とする。また、電圧とはドレイン―ソース間に発生するドレインソース電圧（以下、ＶＤＳ）とする。ＰＷＭ制御では、高速にＭＯＳＦＥＴのオン状態とオフ状態を繰り返す、つまりスイッチングすることで、モータへ給電する電力を制御するが、ＭＯＳＦＥＴの状態としては、オン状態、オフ状態の他に、オン状態からオフ状態、あるいは、オフ状態からオン状態への状態が遷移する状態を考える必要がある。

オフ状態からオン状態への状態遷移区間（図８においてｔｒと記載）では、ＶＤＳが減少し、ＩＤが増加する。例えば、リトラクター制御装置などの車両における制御装置の場合においては、ＶＤＳが通常１３.５Ｖであるバッテリ電圧より減少し、ＩＤｍａｘ×Ｒｄｓｏｎで決定される電圧まで変化する（ここで、ＲｄｓｏｎはＭＯＳＦＥＴのオン抵抗を意味する）。一方、ドレイン電流ＩＤは、０Ａより増加し、所定の電流値まで増加する。この所定の電流値は、モータのインダクタンス、モータの抵抗値、モータの逆起電力により決定される。

オン状態となるオン区間（図８においてはｔｏｎと記載）では、ＶＤＳは、ほぼ一定値となり、ＩＤｍａｘ×Ｒｄｓｏｎで決定される電圧となる。一方、ドレイン電流はモータのインダクタンス，モータの抵抗値，モータの逆起電力により決定される関数に従って、ｔｏｎ時間の間、連続増加となる。

オン状態からオフ状態への状態遷移区間（図８においてｔｆと記載）では、ｔｏｎ区間とは逆に、ＶＤＳが増加し、ＩＤが減少する。ｔｆは、ＩＤがほぼ０Ａに減少するまでの時間である。ｔｒとｔｆは必ずしも同一時間である必要はなく、ＭＯＳＦＥＴを駆動する駆動回路、ＭＯＳＦＥＴの寄生容量などにより、一般的には時間差が生じる。

オフ状態では、ドレイン電流ＩＤは、１０^(-6)Ａ程度のリーク電流となるが、ほぼ０Ａと見なすことができる。一方ＶＤＳは所定の電圧値となる。例えば、通常１３.５Ｖであるバッテリ電圧となる。

ここで、ＭＯＳＦＥＴで発生する発熱について説明する。発熱の定義は電流と電圧の積であり、この場合、ＩＤ×ＶＤＳとなる。オン区間、オフ区間、オン状態からオフ状態への状態遷移区間、オフ状態からオン状態への状態遷移区間、それぞれの発熱を計算すると、式（１）に記載のＰｔｒ，Ｐｔｆ，Ｐｔｏｎ，Ｐｔｏｆｆとなる。

ここでは、簡単のため、ｔｒ区間、およびｔｆ区間の電流変化は時間に対し、一次関数的に変化するものと仮定している。また、ｔｏｎ区間では、ＩＤは一定値と仮定している。ＰＷＭ制御におけるＭＯＳＦＥＴの発熱はＰｔｒ，Ｐｔｆ，Ｐｔｏｎ，Ｐｔｏｆｆを合計したのであり、式（２）のＰで表現される。

式（２）を参照すると、Ｐは、ＩＤ，ＶＤＳ，ｔｒ，ｔｆ，ｆ，Ｒｄｓｏｎ，Ｄｕｔｙを変数とした関数であることがわかる。これらの変数の内、ＩＤ，ＶＤＳ，ｔｆ，ｔｆ，ＲｄｓｏｎはＭＯＳＦＥＴ、その駆動回路、および、モータの電気的特性により決定される。また、Ｄｕｔｙはモータから所望なトルクを得るために必要な電流値により決定される。しかし、スイッチング周波数であるｆは、モータの機械的時定数より決定されるモータの機械的な周波数応答より十分高速であれば良く、例えば、リトラクター制御装置においては、１０Ｋｈｚから２０Ｋｈｚの間で自由に設定が可能である。式（２）より、スイッチング周波数が高いとより発熱が増えることがわかる。例えば、スイッチング周波数を１０Ｋｈｚと２０Ｋｈｚで比較した場合、ＩＤ＝２０Ａ，ＶＤＳ＝１３Ｖ，ｔｒ＝ｔｆ＝５ｕsec，Ｒｄｓｏｎ＝１０ｍΩ，Ｄｕｔｙ＝９０％とすると、約４.４Ｗの発熱量の差が生じる。

次に、スイッチング周波数を切り替える効果について説明する。図９に従来の方法におけるモータ電流とスイッチング周波数およびモータ電流と発熱の関係を示す。ここでの発熱とは、ＰＷＭ制御におけるスイッチングを繰り返すＭＯＳＦＥＴの発熱を意味する。図９によれば、例えば２０Ｋｈｚにてスイッチング周波数が一定値である場合、発熱ＰはＩＤすなわちモータ電流と共に増加する。これは、式（２）より明らかである。図１０に本願の方法によるモータ電流とスイッチング周波数およびモータ電流と発熱の関係を示す。

図１０では、スイッチング周波数をモード（１），モード（２）およびモード（３）において、それぞれ切り替えており、電流値が増加しても、発熱を一定範囲に保つことが可能となっている。一般的に、スイッチング周波数を下げる場合、特に、１０Ｋｈｚなどの可聴周波数域にスイッチング周波数を設定した場合は、モータの駆動時に、乗員にスイッチングによるモータ共鳴音が聞こえてしまい、乗車時の快適性を損なう恐れがある。しかし、シートベルトを駆動するリトラクター制御装置においては、快適性よりも、緊急時の動作を優先させる必要がある。

また、周辺温度が上昇した場合、あるいは、連続動作によりリトラクター制御装置の温度が上昇した場合に、通常のスイッチング周波数では、過温度状態となり動作停止状態に至る場合でも、スイッチング周波数を可聴周波数まで落とし、動作を達成させることが可能である。以上により、スイッチング周波数を切り替えることによる効果を得ることができる。

また、図１１（Ａ）に従来の方法における駆動回数と温度上昇の関係を示す。シートベルトリトラクター制御装置は、ある所定の時間、例えば、警告動作を実行（１１０４ａ）した後、ある所定の時間、モータ２００への給電を停止する停止状態となる（１１０４ｂ）。警告動作を実行中（１１０４ａ）は、モータドライバ回路４１０を構成するＭＯＳＦＥＴが式（２）で表現される発熱により、ＭＯＳＦＥＴおよびその周辺部分の温度が上昇する（１１０２ａ）。一方、停止状態（１１０４ｂ）においては、モータドライバ回路４１０を構成するＭＯＳＦＥＴには電流は流れ無いため、ＭＯＳＦＥＴおよびその周辺部分の温度は低下する（１１０２ｂ）。上記一連の動作を繰り返すことにより、ＭＯＳＦＥＴの温度は上昇、下降を繰り返すが、動作頻度が高い場合、図１１（Ａ）に記載のように、ＭＯＳＦＥＴやその周辺温度が規定値（１１００）を超える場合が考えられる。これは、シートベルトリトラクター制御装置において、警告動作がある頻度以上で発生した場合、あるいは、警告動作が数回繰り返された後の緊急時の巻き取り動作において、ＭＯＳＦＥＴが過温度状態となり、動作継続が困難であることを意味する。

図１１（Ｂ）に本願の方法における駆動回数と温度上昇の関係を示す。シートベルトリトラクター制御装置は、ある所定の時間、例えば、警告動作を実行（１１０４ａ）した後、ある所定の時間、モータ２００への給電を停止する停止状態となる（１１０４ｂ）。警告動作を実行中（１１０４ａ）は、モータドライバ回路４１０を構成するＭＯＳＦＥＴが式（２）で表現される発熱により、ＭＯＳＦＥＴおよびその周辺部分の温度が上昇する（１１０２ａ）。一方、停止状態（１１０４ｂ）においては、モータドライバ回路４１０を構成するＭＯＳＦＥＴには電流は流れ無いため、ＭＯＳＦＥＴおよびその周辺部分の温度は低下する（１１０２ｂ）。上記一連の動作を繰り返すことにより、ＭＯＳＦＥＴの温度は上昇、下降を繰り返すが、動作頻度が高い場合、図１１（Ｂ）に記載のように、ＭＯＳＦＥＴやその周辺温度が準規定値（１１０６）を超える場合が考えられる。準規定値（１１０６）は、規定値（１１００）より、低温に設定されている。順規定値（１１０６）をＭＯＳＦＥＴやその周辺温度が上回った場合には、スイッチング周波数を可聴周波数まで落とすことで、ＭＯＳＦＥＴの発熱を下げ、動作を継続させる（１１０４ｃ）。スイッチング周波数を落とすことで、連続的な動作が可能となる。

本実施形態により、モータの制御装置を形成するスイッチング素子の発熱を最適化し、より小型でかつ安価なシートベルトリトラクター用モータの制御装置を提供できる。また、車両に搭載される制御装置に要求されるの高温動作、特にシートベルトリトラクター用モータの制御装置のように、予め定められた複数の動作を要求される制御装置おいて効果を発揮する。

２００ モータ
２０２ 乗員
２０６ シートベルト
３００ スプール
３２２ モータ動力伝達機構部
４００ マイクロコンピュータ
４０２ 電源回路
４０４ ＣＡＮ通信回路
４０６ 入力インターフェース回路
４０８ 不揮発性メモリ
４１０ モータ駆動回路
４１２ 電流センサ回路
４１４ 他のコントロールユニット
４１６ スイッチ
４１８ イグニションスイッチ

Claims (7)

1. 車両用シートベルトリトラクターに備えられるモータを制御するための車両用シートベルトリトラクター制御装置であって、
   モータ駆動回路から前記モータに出力される電流が第１電流となるように、当該モータ駆動回路をＰＷＭ制御する第１制御モードと、
   前記モータ駆動回路から前記モータに出力される電流が前記第１電流とは異なる第２電流となるように、当該モータ駆動回路をＰＷＭ制御する第２制御モードと、を備え、
   前記第１制御モードのスイッチング周波数と前記第２制御モードのスイッチング周波数を異ならせる車両用シートベルトリトラクター制御装置。
2. 請求項１に記載の車両用シートベルトリトラクター制御装置であって、
   前記第１制御モードは、前記シートベルトリトラクターがシートベルトを巻き取るように前記モータを駆動させる巻き取り制御モードであり、
   前記第２制御モードは、前記シートベルトリトラクターがシートベルトを引き出すように前記モータを駆動させる引き出し制御モードであり、
   前記巻き取り制御モードのスイッチング周波数は、前記引き出し制御モードのスイッチング周波数よりも小さい車両用シートベルトリトラクター制御装置。
3. 請求項１に記載の車両用シートベルトリトラクター制御装置であって、
   前記第１制御モードは、前記モータが駆動力を発生させてから第１所定時間の間に乗員をシートベルトに拘束するように前記シートベルトリトラクターを制御する緊急時制御モードであり、
   前記第２制御モードは、前記緊急時制御モードの前記第１所定時間よりも大きい第２所定時間の間に所定の締め付け力でシートベルトに乗員を固定するように、前記シートベルトリトラクターを制御するシートベルト格納制御モードであり、
   前記緊急時制御モードのスイッチング周波数は、前記シートベルト格納制御モードのスイッチング周波数よりも小さい車両用シートベルトリトラクター制御装置。
4. 請求項３に記載の車両用シートベルトリトラクター制御装置であって、
   当該車両用シートベルトリトラクター制御装置の周辺温度又は当該車両用シートベルトリトラクター制御装置に用いられる制御用部品の温度を検知するための検知回路部を備え、
   前記検知回路部の検知結果が第１所定温度よりも低い場合には、前記緊急時制御モードは、前記シートベルト格納制御モードのスイッチング周波数に近づけるように、当該緊急時制御モードのスイッチング周波数を大きくする車両用シートベルトリトラクター制御装置。
5. 請求項４に記載の車両用シートベルトリトラクター制御装置であって、
   当該車両用シートベルトリトラクター制御装置の周辺温度又は当該車両用シートベルトリトラクター制御装置に用いられる制御用部品の温度を検知するための検知回路部を備え、
   前記検知回路部の検知結果が第２所定温度よりも高い場合には、前記シートベルト格納制御モードは、前記緊急時制御モードのスイッチング周波数に近づけるように、前記シートベルト格納制御モードのスイッチング周波数を小さくする車両用シートベルトリトラクター制御装置。
6. 請求項１に記載の車両用シートベルトリトラクター制御装置であって、
   前記第１制御モードは、前記モータが駆動力を発生させてから所定時間の間に乗員をシートベルトに拘束するように前記シートベルトリトラクターを制御する緊急時制御モードであり、
   前記第２制御モードは、前記緊急時制御モードにおける前記モータ駆動回路に流れる電流よりも小さい電流を前記モータに流すように制御し、かつ乗員に警告を発するための警告制御モードであり、
   前記緊急時制御モードのスイッチング周波数は、前記警告制御モードのスイッチング周波数よりも小さい車両用シートベルトリトラクター制御装置。
7. 請求項６に記載の車両用シートベルトリトラクター制御装置であって、
   前記警告制御モードにより警告回数が所定回数以上である場合には、前記警告制御モードのスイッチング周波数を前記緊急時制御モードのスイッチング周波数に近づけるように小さくする車両用シートベルトリトラクター制御装置。

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