JP2019029476A - 電子制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】基板上における設計の自由度を維持しつつ、プリント基板と金属筐体との間に形成される空間の電磁波の共振を十分に低減する電子制御装置を提供する。【解決手段】電子回路基板５１と、電子回路基板が収容される金属筐体１０と、を備える電子制御装置１において、金属筐体は、電子回路基板が固定される複数の固定部１１と、所定の長さを持ち、複数の固定部に沿って配向された金属筐体突条部１２と、を備える。電子回路基板は、基板内グランドパターンと複数の固定部の少なくとも一つに接続する抵抗器４１を備える。複数の固定部は、金属筐体突条部の端部が電子回路基板に接触しない範囲で、当該端部を当該基板に接近させながら、当該基板を金属筐体に固定するようにした。【選択図】図１

Description

本発明は、電子制御装置に係り、例えば、自動車・建機等の走行体のＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）として利用される電子制御装置に関する。

電子制御装置は筐体内に電子回路基板が収容されているものであり、筐体の一部でも金属であると筐体と基板との間の空間は、電磁波の空洞共振器として働く。すなわち、この空間が、外部から照射された電磁波によって励起されることで、基板が大きな電磁界に晒されることになり、基板上の電子部品を誤動作させるという問題がある。また、基板の電子部品の動作によって発生した電磁界によって、この空間が励振され、不要な電磁波を放射することによって、他の電子機器を誤作動させるという問題もある。そこで、電子機器の機能安全のため、例えば、ＥＣＵ等走行体用の電子制御装置に対して、ＣＩＳＰＲ２５やＩＳＯ−１１４５２等の国際規格が定められている。

特許文献１には、金属筐体内部を仕切るように突起を配置し、突起と基板の接続面に抵抗膜や電波吸収体を設けることで、空洞共振器の共振エネルギーを減少させることが開示されている。そして、特許文献２には、基板をネジで固定する筐体ボス部に抵抗体パターンを設けることで、この空間による共振エネルギーを消費し、共振により放出される電磁波を抑制することが開示されている。

特開２０１２−１８６３７９号公報 特開２００２−３５９４８９号公報

特許文献１に開示された発明においては、基板の電子部品の実装面やパターンを避けて突条部を基板に接触させなければならないという制約があるため、基板上における設計の自由度を維持することができない。

一方、特許文献２に開示された発明では、基板と筐体とをその断面形状でみた場合、これらの形状は一様ではないために、そもそも、抵抗体の抵抗値を決定することが容易でない。抵抗値が適正値より高いと、共振によって発生する共振電流が抵抗体を含む経路とは異なる経路を流れ、反対に、抵抗値が適正値より低いと、共振エネルギーを効果的に消費させることができない。

本発明は、これらの課題を解決するために、基板上における設計の自由度を維持しつつ、基板と金属筐体との間の空間における電磁波の共振を十分に低減可能な電子制御装置を提供することを目的とする。

かかる課題を解決するため本発明においては、電子回路基板と、電子回路基板が収容される筐体と、を備える電子制御装置において、筐体は、電子回路基板が固定される複数の固定部と、所定の長さを持ち、複数の固定部に沿って配向された突条部と、を備え、電子回路基板は、基板内グランドパターンと複数の固定部の少なくとも一つに接続する抵抗器を備え、複数の固定部は、突条部の端部が電子回路基板に接触しない範囲で、当該端部を当該基板に接近させながら、当該基板を筐体に固定するようにした。

本発明によれば、基板上における設計の自由度を維持しつつ、基板と金属筐体との間の空間における電磁波の共振を十分に低減可能な電子制御装置を実現できる。

第１の実施の形態による電子制御装置を分解した際の斜視図である。 第１の実施の形態による電子制御装置の斜視図である。 第１の実施の形態によるプリント基板を分解した際の斜視図である。 第１の実施の形態による電子制御装置の回路ブロック図である。 第１の実施の形態による電子制御装置の断面図である。 共振現象の説明に供する概念図である。 共振現象の説明に供する概念図である。 他の実施の形態による電子制御装置を分解した際の斜視図である。 他の実施の形態による電子制御装置の斜視図である。 他の実施の形態による電子制御装置の断面図である。 他の実施の形態による電子制御装置を分解した際の斜視図である。 他の実施の形態による電子制御装置の回路ブロック図である。 他の実施の形態による電子制御装置の断面図である。 他の実施の形態による電子制御装置の断面図である。 他の実施の形態による電子制御装置の断面図である。

以下図面について、本発明の一実施の形態を詳述する。

（１）本実施の形態による電子制御装置の構成
図１及び図２において、１は本実施の形態による電子制御装置を示す。この電子制御装置１は、金属筐体１０に電子回路基板（以下、これをプリント基板と呼ぶ）５１が固定され、これらが樹脂製のカバーによって覆われるように構成されている。但し、カバーは図示されていない。プリント基板５１は、ネジ３１によって、金属筐体１０のボス部１１に固定されている。ボス部１１は、請求項記載の固定部に相当する。プリント基板５１について、その用途、構造に制限はなく、例えば、自動車や建設機械等の走行体のためのＥＣＵであってよい。

プリント基板５１は、図３に示すように複数の層から構成されている。２層目の一部には、基板内電源パターン７２が設けられている。３層目には、その全面に基板内グランドパターン７１が設けられている。２層目と３層目の順序を入れ替えてもよいし、他の層に割り当てても構わない。基板内グランドパターン７１及び基板内電源パターン７２は、プリント基板５１内を流れる電流を安定させるため、プリント基板５１内で大きな面積を占めるように配設される。基板内電源パターン７２は電子部品の＋側に接続し、基板内グランドパターン７１は、電子部品の−側に接続される。そして、プリント基板５１には、図１，２に示すように、複数のコネクタピン２１のコネクタ２０が搭載されている。

図１，２に示すように、プリント基板５１の上面であって、ボス部１１に相対する位置に抵抗器４１が設けられている。この抵抗器４１は、図４に示すように、ネジ３１を介して金属筐体に接続し、さらに、基板内グランドパターン７１に接続されている。したがって、プリント基板５１を金属筐体１０に固定すると、ボス部１１、ねじ３１、抵抗器４１、基板内グランドパターン７１という、共振電流の経路が構成される。ボス部１１は、プリント基板５１の４隅に対応して存在するが、抵抗器４１は、複数のボス部１１のうち少なくとも１つのボス部１１に対して存在すればよい。

さらに、図４に示すように、基板内グランドパターン７１及び基板内電源パターン７２の間には、バイパスコンデンサ７６が配設されている。バイパスコンデンサ７６によって、基板内グランドパターン７１及び基板内電源パターン７２の間には、交流電流が流れることが可能になる。

図１，２に示すように、金属筐体１０には、二つのボス部１１Ａ，１１Ｂに沿って、換言すれば、二つのボス部１１Ａ，１１Ｂに近接、或いは、隣接させて、二つのボス部１１Ａ，１１Ｂによって固定されるプリント基板５１に沿って、断面矩形で長さを持った金属筐体突条部１２が直線状に配設されている。金属筐体突条部１２の長さは、プリント基板５１の長さに実質的に等しくても、これより短くても、後述のとおり、共振電流を抑制できる範囲であればよい。図５に示すように、金属筐体突条部１２のプリント基板５１側の端面は、プリント基板５１に実装された電子部品や、パターンに接触しない範囲で極力短い距離を介して、プリント基板５１に臨むようにすればよい。

図３に示すように基板内グランドパターン７１及び基板内電源パターン７２は、プリント基板５１内で大きな面積を占める。このため、金属筐体１０及びプリント基板５１間で囲まれた空間１５に発生する共振の電流のほとんどは、金属筐体１０を経路（リターンパス）として、基板内グランドパターン７１及び基板内電源パターン７２を流れる。

（２）本実施の形態による共振について
金属筐体突条部１２及び基板内グランドパターン７１が構成する経路は、距離が近いことによってインピーダンスが低下するため、共振電流が集中する。この共振電流を伝達する経路は、断面形状からマイクロストリップライン形状の伝送路としてみることができる。

このマイクロストリップラインに誘起された共振による電磁波は、マイクロストリップラインの両端で反射されるため、電磁波の電気長とその半波長の整数倍とが一致する周波数で定在波となり例えば図６に示すような共振が起きる。

図６は、図２におけるＢ−Ｂ’断面図であり、空間１５の長手方向の中央付近に定在波の振幅の腹がくる場合を示す。金属筐体１０及びプリント基板５１は、ネジ３１及び抵抗器４１を介して電気的に接続されているため、ネジ３１によって固定されている箇所が、この定在波の振幅の節となる。

マイクロストリップラインの終端抵抗である抵抗器４１の抵抗値をＺ_ｔ、マイクロストリップラインの特性インピーダンスの値をＺ_０とすると、この伝送路における反射係数Γは、次式

で求めることができる。

図６に示すような共振は、反射係数Γを０に近づけることで抑制することができる。マイクロストリップラインの終端抵抗である抵抗器４１の抵抗値と、マイクロストリップラインの特性インピーダンス値とを一致させることで共振を抑制することができる。

マイクロストリップラインの特性インピーダンスは、図５に示すように、金属筐体突条部１２の幅１２Ａと、金属筐体突条部１２及びプリント基板５１の距離１２Ｂとから所定の式によって算出することができる。例えば、幅１２Ａが４ｍｍ、距離１２Ｂが１ｍｍの場合、マイクロストリップラインの特性インピーダンスは、約１５Ωとなる。

図７は、電子制御装置１に遠方から電磁波照射した際の電磁界を解析した結果の周波数及び誘起電圧の関係を示す。周波数及び誘起電圧の関係は、金属筐体突条部１２の有無及び抵抗器４１の有無によって、グラフ２５〜２８のようになる。

グラフ２５は金属筐体突条部１２及び抵抗器４１を電子制御装置１に配設しない場合の周波数及び誘起電圧の関係を示している。グラフ２６は金属筐体突条部１２を配設した場合の周波数及び誘起電圧の関係を示している。グラフ２７は抵抗器４１を配設した場合の周波数及び誘起電圧の関係を示している。グラフ２８は金属筐体突条部１２及び抵抗器４１を配設した場合の周波数及び誘起電圧の関係を示している。

ところで、誘起電圧は、電子制御装置１に搭載されているセンサの検出電圧に誤差を生じさせる原因となる。誘起電圧の許容値の一例を図７に記載した。この許容値はプリント基板５１のパターンや図示しないＡ／Ｄコンバータの周波数感度に左右される。

（３）本実施の形態の効果
以上のように本実施の形態の電子制御装置１では、プリント基板５１と金属筐体１０との間に形成される空間１５に迫りだすように金属筐体１０に金属筐体突条部１２を設けることで、プリント基板５１と金属筐体１０との距離を近づけ、共振電流に対しての特性インピーダンスを金属筐体突条部１２の周辺において低下させる。

このことで、金属筐体突条部１２の周辺に共振電流が集中し、金属筐体突条部１２周辺の構造によって共振の特性が制御されるため、金属筐体突条部１２とプリント基板５１との断面は、伝送路（マイクロストリップライン）のように扱うことができる。

具体的には、幅１２Ａ及び距離１２Ｂから、マイクロストリップライン（金属筐体突条部１２及び基板内グランドパターン７１）の特性インピーダンス値Ｚ_０を算出する。

算出した特性インピーダンス値Ｚ_０に近い値を抵抗器４１の抵抗値Ｚ_ｔとすることで、容易に空間１５によって誘導される電圧を低減することができる。従って、本電子制御装置１によれば、プリント基板５１上における設計の自由度を維持しつつ、プリント基板５１と金属筐体１０との間に形成される空間１５の電磁波の共振を十分に低減することができる。

従来においては、空間１５の特性インピーダンス値Ｚ_０は、金属筐体１０の３次元形状、プリント基板５１のサイズ、ネジ３１の配設位置を考慮しなければ算出することができなかった。このため、空間１５によって誘導される電圧を効果的に減らすことは難しかった。

プリント基板５１のコネクタピン２１の近傍に電子部品を配設することは、コネクタを配設する際に、電子部品を破壊してしまう可能性があり許容されない。このため、通常、コネクタピン２１の近傍に電子部品は配設されない。

電子部品が配設されないプリント基板５１上の箇所と合わさるように、金属筐体突条部１２を金属筐体１０に設けるため、電子制御装置１内のスペースを有効に使用することができる。このため、金属筐体突条部１２を設けることによって、電子制御装置１のサイズが大きくなるなどの製造コストの増加につながることはない。

図７のグラフ２６に示すように、金属筐体突条部１２を設けるだけでは、ほとんど改善しない。図７のグラフ２７に示すように、抵抗器４１を設けるだけでは、共振電流は様々な経路に分散し、金属筐体１０の３次元形状、プリント基板５１のサイズ、ネジ３１の配設位置が抵抗器４１の抵抗値などに共振が影響されるため、これらすべての経路に対して最適な抵抗値を決定することが難しい。このため、グラフ２７では、目安値を下回ることができない。

（４）他の実施の形態
上述の実施の形態においては、抵抗器４１を１つだけ電子制御装置１に配設する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、複数の抵抗器４１を電子制御装置１に配設しても良い。例えば、図１において４つのボス部１１の近傍にそれぞれ１つずつ抵抗器４１が配設されても良い。

上述の実施の形態においては、金属筐体突条部１２が、長手方向に並べて配設された２つのボス部１１を結ぶ直線と平行で幅方向においてコネクタピン２１側に配設される場合について述べたが、本発明はこれに限らず、金属筐体突条部１２が、幅方向においてコネクタピン２１とは逆側のプリント基板搭載部品５２が配設される領域に配設されるようにしても良い。

この場合、図８〜１０に示すように、金属筐体突条部３５にプリント基板搭載部品５２が干渉する箇所については、金属筐体突条部３５の高さを低くするか高さをなくしても良い。

金属筐体突条部３５の高さを低くした場合、低くした部分の幅３５Ａを他の部分に比べ広くすることで、高さを低くしない場合に対する空間３６の特性インピーダンス値の変化を小さく抑えることができる。

金属筐体突条部３５のように、その高さが一部低くなる又はなくなることで、金属筐体突条部３５に集まる共振電流は、金属筐体突条部１２のように、その高さの一部を変更しない場合に比べて減少するが、端部を抵抗器４１で整合終端できる。この整合終端の効果により、電磁波の反射を抑制し、空間３６の共振を抑制する。

よって、金属筐体突条部３５を配設する場合は、その配設の自由度を上げつつ、空間３６の共振を抑制することができる。金属筐体突条部３５は、定在波の振幅の腹となりやすい、金属筐体１０の幅方向の中央付近に配設することができるため、金属筐体突条部１２よりも多くの共振モードに対して効果的に共振を低減することができる。

さらに上述の実施の形態においては、金属筐体突条部１２のように突条部が１つ配設される場合について述べたが、本発明はこれに限らず、図１１に示す金属筐体突条部４５のように突条部が２つ配設されるようにしても良い。

金属筐体突条部４５のように突条部が２つ配設される場合、金属筐体突条部１２のように突条部が１つ配設されている場合よりも、多くの共振モードに対して効果的に共振を抑制することができる。図１１においては、２つの突条部が交差するように配設しているが、２つの突条部は交差しなくても良い。また、３つ以上の突条部を配設しても良い。

さらに上述の実施の形態においては、図４に示すように、基板内グランドパターン７１及び金属筐体１０が抵抗器４１を介して接続される場合について述べたが、本発明はこれに限らず、図１２に示すように、抵抗器４１にさらに電気的に直列にコンデンサ４２を接続するようにしても良い。

図４に示した回路では、直流に対して数Ω〜数百Ωの抵抗値を示すような抵抗として、抵抗器４１は接続されるが、図１２に示すような回路では、直流に対してより高い抵抗値を示す。製品の仕様上、基板と筐体の間の直流抵抗値が数kΩ以上となるように抵抗器４１を接続する必要がある場合、図１２のように接続する。図１２に示した回路では、抵抗器４１と並列に、高い抵抗値を示す抵抗器７５を接続する。

図１２に示したように接続することで、直流成分に対しては、抵抗器７５で定まる高い抵抗値を示しつつ、共振を含む交流成分に対しては、図４に示した回路と同様に抵抗器４１で定まる抵抗値を示すことができる。

図１２に示した回路では、１箇所のネジ３１の周辺についてのみ表している。他のネジ３１の周辺についても、図１２に示す回路と同様の部品構成にすることが共振抑制の観点からは望ましい。

しかしながら、１箇所のネジ３１の周辺のみ図１２に示すような部品構成とし、他のネジ３１の周辺は、完全に絶縁とする部品構成としても、抵抗器７５のみ抵抗器４１に電気的に並列に接続する部品構成としても、コンデンサ４２のみ抵抗器４１に電気的に直列に接続する部品構成としても良い。

図１２に示した回路においては、直流成分をカットするために、コンデンサ４２を抵抗器４１に電気的に直列に接続しているが、コンデンサ４２の代わりにダイオードを接続しても良いし、複数部品を組み合わせて接続しても良い。

さらに上述の実施の形態においては、金属筐体突条部１２とプリント基板５１との間にはなにも設置しない場合について述べたが、本発明はこれに限らず、図１３に示すように高誘電率を有する高誘電率材料１３を設置しても良い。

この高誘電率材料１３を設置することで、金属筐体突条部１２とプリント基板５１との間の静電容量を増加させることができる。このため、金属筐体突条部１２とプリント基板５１とで構成される断面の特性インピーダンスを保持したまま金属筐体突条部１２とプリント基板５１との間の距離を離すことが可能となり、金属筐体１０を設計する際の自由度を増加させることができる。

金属筐体突条部１２とプリント基板５１との間にこの高誘電率材料１３を設置することで、振動や熱変形によって金属筐体突条部１２及びプリント基板５１が接触することを防ぐことができる。このため、金属筐体突条部１２及びプリント基板５１の接触が原因となるショートによる電子制御装置１の故障を防ぐことができる。

高誘電率材料１３として、金属筐体突条部１２及びプリント基板５１間の熱伝導を良好にする放熱グリスを使用することで、電子制御装置１の放熱特性を向上させることを狙っても良い。

例えば、シリコーンゴムを主体とする熱伝導剤を高誘電率材料１３として採用した場合、シリコーンゴムは比誘電率が４〜６程度であるため、金属筐体突条部１２及びプリント基板５１間の距離を上述の実施の形態と比較して４〜６倍程度離しつつ、上述の実施の形態と同様の効果を得ることが可能となる。

さらに上述の実施の形態においては、金属筐体１０に金属筐体突条部１２を設けた場合について述べたが、本発明はこれに限らず、図１４に示すように金属部材突条部１４をプリント基板５１に設けても良い。

図１４のように金属部材突条部１４は、その両端又は複数の所定の箇所において、基板内グランドパターン７１に電気的に接続される。この接続によって図１４のような構成においても上述の実施の形態と同様の効果を得ることが可能となる。

図１４においては、プリント基板５１及び金属部材突条部１４は、それぞれが対向する面において全面が接触しているが、プリント基板５１及び金属部材突条部１４は、それぞれが対向する面においてプリント基板５１及び金属部材突条部１４の間に隙間を設けても良い。このような隙間を設けることで、プリント基板５１上の部品が金属部材突条部１４と干渉しないようにすることができる。

金属部材突条部１４は、放熱用のヒートスプレッダとしても用いても良い。発熱部品に近づけるために金属部材突条部１４には、一部に曲線箇所を持たせたり、幅に変化を持たせたりしても良い。

さらに上述の実施の形態においては、金属筐体１０に金属筐体突条部１２を設けた場合について述べたが、本発明はこれに限らず、図１５に示すように金属部材突条部１４をプリント基板５１に設け、金属筐体１０及び金属部材突条部１４間に高誘電率を有する高誘電率材料１３を設置しても良い。

このように金属筐体１０及び金属部材突条部１４間に高誘電率を有する高誘電率材料１３を設置することで、金属筐体１０と金属部材突条部１４とで構成される断面の特性インピーダンスを保持したまま金属筐体１０と金属部材突条部１４との間の距離を離すことが可能となり、金属筐体１０を設計する際の自由度を増加させることができる。

金属筐体１０及び金属部材突条部１４間にこの高誘電率材料１３を設置することで、振動や熱変形によって金属筐体１０及び金属部材突条部１４が接触することを防ぐことができる。このため、金属筐体１０及び金属部材突条部１４の接触が原因となるショートによる電子制御装置１の故障を防ぐことができる。

１……電子制御装置、１０……金属筐体、１１……ボス部、１２，３５，４５……金属筐体突条部、１３……高誘電率材料、１４……金属部材突条部、１５……空間、２０……コネクタ、２１……コネクタピン、３１……ネジ、４１，７５……抵抗器、４２……コンデンサ、５１……プリント基板、５２……プリント基板搭載部品、７１……基板内グランドパターン、７２……基板内電源パターン。

Claims (8)

1. 電子回路基板と、
   前記電子回路基板が収容される筐体と、
   を備える電子制御装置であって、
   前記筐体は、
   前記電子回路基板が固定される複数の固定部と、
   所定の長さを持ち、前記複数の固定部に沿って配向された突条部と、
   を備え、
   前記電子回路基板は、
   基板内グランドパターンと前記複数の固定部の少なくとも一つに接続する抵抗器を備え、
   前記複数の固定部は、前記突条部の端部が前記電子回路基板に接触しない範囲で、当該端部を当該基板に接近させながら、当該基板を前記筐体に固定する
   電子制御装置。
2. 前記突条部は、前記固定部の間を結ぶ位置に配設され、前記突条部の長手方向の長さは前記固定部の間の長さであり、前記突条部の鉛直方向の高さは前記基板と前記筐体の内周面との間の距離より小さく、前記突条部の幅は前記電子制御装置に発生する共振電流を伝達し得る幅である
   請求項１記載の電子制御装置。
3. 前記抵抗器の抵抗値は、前記突条部と前記基板との断面構造から定まる特性インピーダンスに基づいた値である
   請求項１記載の電子制御装置。
4. 前記基板には電気信号を送受信するケーブルを接続するためのコネクタが設けられており、
   前記突条部は、コネクタが搭載された領域の鉛直方向の下側に配設される
   請求項１記載の電子制御装置。
5. 前記突条部及び前記基板に配設された部品同士が前記長手方向の所定の長さの間で干渉する区間において、当該区間における前記突条部の高さを当該区間の外の前記突条部の高さより低く、又は、当該区間においては前記突条部を設けない
   請求項２記載の電子制御装置。
6. 前記区間の前記突条部の幅を、当該区間の外の前記突条部の幅に対して広くする
   請求項５記載の電子制御装置。
7. 前記突条部は、前記筐体の内周面に複数配設され、前記基板に実装された部品から発生する熱を効率よく放熱する
   請求項１記載の電子制御装置。
8. 前記抵抗器と直列にコンデンサを接続するとともに、前記抵抗器及びコンデンサと並列に高抵抗の高抵抗器を接続し、前記抵抗器及び前記基板の間、又は、前記抵抗器及び前記固定部の間に交流電流が流れる
   請求項１記載の電子制御装置。
   

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