JP5506641B2 - 制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、制御装置に関し、特に物理値を検出するセンサからの電気信号を処理すると共に、制御対象を制御する電気信号を出力する制御装置に関する。

一般に、制御装置は、制御対象を誤作動させないために、精度の高いセンサ出力（物理値）を必要とする。制御装置は、通常、センサ出力をグランド（ＧＮＤ）との差分出力とし、その差分出力をＡ／Ｄ変換したデジタル値を演算処理して制御対象を制御するために利用する。

しかしながら、車両等のノイズの影響が強い環境では、ＧＮＤ等にノイズが侵入してその電位が変動し、センサ出力に基づくその差分出力がノイズの影響を含んだ精度の悪いものとなってしまう場合がある。

そのため、従来から、例えば車搭用電子機器において、（ｉ）ノイズが乗りやすいＧＮＤとは別系統のセンサーグラウンド(ＳＧ)やロジックグラウンド(ＬＧ)をオルタネータから引き込む、（ii）電磁波ノイズから保護するために基板をアルミケースで保護する、（iii）バイパスコンデンサやソレノイドを活用する等の多くのノイズ対策が行われている。

また、特許文献１では、ノイズ対策として、車搭用電子機器の内部ＧＮＤと筐体と車体とを電気的に接続し、さらに車搭用電子機器と電源との間にローパスフィルタを設けることが開示されている。

さらに、特許文献２では、自動車用制御装置において、制御用グランドとケースグランドとの間に静電気保護素子（抵抗など）を設けることが開示されている。

実開昭６４−３７３４５号公報 特許第４００５７９４号公報

しかし、従来のＧＮＤとは別系統のＳＧやＬＧを設けたり、バイパスコンデンサやソレノイドを利用したり、あるいは文献1、２に開示されるようなフィルタや静電気保護素子を利用する場合、それらの搭載のために、制御装置の基板サイズが大きくなったりあるいは部品点数が増加して、制御装置のコストが上昇してしまう。

そこで、本発明は、コストが上昇を抑えながら、ＧＮＤ等へのノイズ対策をおこなって、入力されるセンサ出力を精度良く処理することができる制御装置を提供することを目的とする。

本発明は、物理値を検出するセンサからの電気信号を処理すると共に、制御対象を制御する電気信号を出力する制御装置を提供する。その制御装置は、センサおよび制御対象が電気的に接続する内部グランド部と、センサを駆動する電力を供給すると共に内部グランド部に電気的に接続された電源回路と、センサからの電気信号を演算処理すると共に内部グランド部に電気的に接続された演算装置と、を備える。

本発明によれば、センサと制御対象とを共通の内部グラウンド部に接続することにより部品点数の削減が可能である。また、制御対象からのノイズが内部グラウンド部に入り込む可能性があるが、センサを作動させる電源回路と演算装置も内部グラウンド部に接続されているので、センサからの電気信号を演算装置で処理する過程でそのノイズの影響をキャンセルすることができる。

本発明の一形態によると、制御装置は１つの筐体内に収納され、筐体は制御装置をノイズからシールドするためのケースグランドとして機能し、内部グランド部は、ケースグランドに直接接続する第１グランド部と、第１グランド部よりも電気的に上流側に位置する第２グランド部とを有し、制御対象は第１グランド部に接続し、センサおよび電源回路は第２グランド部に接続する。

本発明の一形態によれば、第１グラウンド部は第２グラウンド部よりも電気的に上流側に位置するため、第１グラウンド部に接続されるセンサは、第２グラウンド部に入り込むノイズの影響を受け難くなる。

本発明の一形態によると、制御装置は車両に用いられ、フレームグランドとして機能する当該車両の車体フレームに筐体が直接接続する。

本発明の一形態によれば、フレームグラウンドとケースグラウンドを用いることによりＧＮＤとの接続に用いるワイヤーハーネスを削減することができる。また、フレームグラウンドにノイズが入り込む場合があるが、上述した本発明の一形態の第１および第２のグランド部の構成により、センサはそのノイズの影響を受け難くなる。

本発明の実施形態に従う制御装置の基本構成図である。 本発明の実施形態に従うＧＮＤおよびＶｃｃとセンサの出力の時間変化を示す図である。 本発明の実施形態に従うセンサの出力のＡ／Ｄ変換後の出力値の時間変化を示す図である。 本発明の実施形態に従う制御装置の構成図である。 本発明の実施形態に従う、図４の構成の等価回路図である。 本発明の実施形態に従う、制御装置回りでのＧＮＤ線の接続関係を示す図である。

図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の説明は、本発明の制御装置が車両に搭載される場合を想定しているが、本発明の実施形態はこれに限られず、車両以外の他の機械、機器等の制御にも適用できることは言うまでもない。

図１は、本発明の実施形態に従う制御装置の基本構成図である。制御装置に相当する電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）の基板１は、その周辺部に内部グランド（以下、グランドを「ＧＮＤ」という）２が設けられている。ＥＣＵ基板１の内部ＧＮＤ２は、ＥＣＵ基板１を内包する筐体（ケース）１０に金属等の導電材料からなる接点９により直接接続される。この筐体１０は、金属（例えば、アルミニウム等）等の導電材料からなり、ＥＣＵをノイズからシールドするためのケースグランドとして機能する。筐体１０は車体（図示なし）を通じて車両内のオルタネータ（図示なし）に電気的に接続する。

したがって、ＥＣＵ基板１の内部ＧＮＤ２は、接点９、筐体１０および車体を介して直接的にオルタネータのＧＮＤに接続できる。その結果、従来のようにワイヤーハーネスを用いてＥＣＵ基板１のＧＮＤをオルタネータのＧＮＤに接続する必要がなくなり、ワイヤーハーネス費用を削減することが可能となる。同時に、ＥＣＵで発生した熱を内部ＧＮＤ２―＞接点９―＞筐体１０―＞車体を経由する熱伝導パスにより放熱することができるので、放熱性を改善することが可能となる。

ＥＣＵ基板１には、演算装置に相当する中央演算処理装置（以下「ＣＰＵ」という）３と、電源（以下「Ｖｃｃ」という）４が設けられている。ＣＰＵ３とＶｃｃ４は、それぞれＧＮＤ線５、６を介して内部ＧＮＤ２に電気的に接続される。

Ｖｃｃ４は、ＥＣＵ基板１内のＣＰＵ３と外部のセンサ７を駆動するための駆動電圧（例えば５Ｖ等）をそれぞれに供給する。図１にはセンサ７が１つだけ記載されているが、実際には各種の複数のセンサが存在し、Ｖｃｃ４は各センサに対応する駆動電圧を供給する。センサ７はＧＮＤ線（ＳＧ）８を介して内部ＧＮＤ２に電気的に接続される。

ＥＣＵは、図示されていないが、ＣＰＵ３の他に入出力インターフェース、メモリ等を備えるコンピュータである。メモリには、各種制御を実現するためのコンピュータ・プログラムおよび該プログラムの実施に必要なデータを格納することができる。本発明に従う様々な制御のためのプログラム、および該プログラムの実行の際に用いるデータおよびマップは、メモリに格納されている。ＣＰＵ３は、センサ７等から送られてくる検出信号を受け取って演算を行い、各制御対象へ制御信号を送る。

次に、図２と図３を参照しながら、図１の制御装置によるセンサ出力制御（処理）の一実施形態について説明する。なお、以下に述べる処理はＣＰＵ３によって実行される。図２は、内部ＧＮＤ２およびＶｃｃ４の電圧とセンサ７の出力Ｖｏｕｔ（電圧）の時間変化を示す。図３は、センサ７の出力ＶｏｕｔのＡ／Ｄ変換後の出力（電圧）を示す。

図２のライン１０で示されるように、本来ゼロであるはずの内部ＧＮＤ２の電圧が、ノイズの影響を受けて変動しているとする。このとき、内部ＧＮＤ２に電気的に接続するＶｃｃ４の出力も、ノイズによる内部ＧＮＤ２の電圧変動の影響を受けて、ライン１１で示されるように変動する。センサ７は、ノイズの影響を受けたＶｃｃ４の電圧と内部ＧＮＤ２の電圧により駆動するので、センサ７の出力Ｖｏｕｔもライン１２で示されるように、ノイズの影響を受けて変動してしまう。

そこで、本発明の一実施形態では、センサ７の出力ＶｏｕｔをそのままＡ／Ｄ変換するのではなく、出力Ｖｏｕｔと内部ＧＮＤ４の電圧との差分（Ｖｏｕｔ−ＧＮＤ電圧）をＡ／Ｄ変換する。この差分をとることにより、ＶｏｕｔとＧＮＤ電圧とにおけるノイズの影響をキャンセルすることができる。その結果、図３のライン１３で示されるようなノイズによる影響を低減あるいは除去したＡ／Ｄ変換後のセンサ出力値を得ることができる。

このように、本発明の図１に例示される実施形態によれば、センサ７と制御対象である車両とを共通の内部ＧＮＤ２に接続することによりワイヤーハーネス等の部品点数を削減することができる。また、車両からのノイズが内部ＧＮＤ２に入り込んだとしても、センサ７を作動させるＶｃｃ４とＣＰＵ３とが内部ＧＮＤ２に接続されているので、センサ７からの電気信号をＣＰＵ３で処理する過程でそのノイズの影響をキャンセルすることができる。

次に、図４〜図６を参照しながら本発明の実施形態に従う制御装置の詳細について説明する。図４は、本発明の実施形態に従う制御装置の構成図である。図５は、図４の構成の等価回路図である。図６は、本発明の制御装置回りでのＧＮＤ線の接続関係を示す図である。

図４において、ＥＣＵ基板１を内包する筐体（ケース）１０は、金属等の導電材料からなる接点２１を介して、車体フレームのＧＮＤ（以下、「フレームグランド」または「ＦＧ」という）２２に直接接続される。筐体１０は、図２の場合と同様に、金属（例えば、アルミニウム等）等の導電材料からなり、ケースグランドとして機能する。ＥＣＵ基板１は、プリント配線板等の回路基板からなる。

ＥＣＵ基板１には、内部ＧＮＤとして相互に接続する２種類のＧＮＤが設けられている。一方は大電流系ＧＮＤ２４であり、他方は小電流系ＧＮＤ２５である。大電流系ＧＮＤ２４は、図のようにＥＣＵ基板１の周辺部近くに配置され、金属（メッキ銅等）の導電材料からなる接続構造２６を介して、ケースグランドとして機能する筐体１０に直接接続される。小電流系ＧＮＤ２５は、ＥＣＵ基板１の周辺部よりは比較的内側に配置される。大電流系ＧＮＤ２４と小電流系ＧＮＤ２５とは、いずれも金属（メッキ銅等）の導電材料からなる。大電流系ＧＮＤ２４の配線パターンは小電流系ＧＮＤ２５よりも（長さ／幅）比が小さくなるように設計される。抵抗値に応じて変化する発熱量を大電流が流れても大きくなりすぎないようにするためである。

図４の各ＧＮＤの配置およびそれらの直接的な接続構成により、従来使用のワイヤーハーネス等の部品点数を削減することができる。具体的には、例えば図６に例示されるように、エンジン４２およびバッテリ４４に接続する車体フレーム４１と、ＥＣＵ基板１との間のＧＮＤ接続をとるためのワイヤーハーネス（例えばＬＧ、ＰＧ等）を削減でき、ＦＧとして直接的に両者を接続することができる。なお、センサ７とＥＣＵ基板１との間のＧＮＤ接続は、従来同様センサグランド（ＳＧ）によりおこなわれる。同時に、ＥＣＵの発熱を筐体１０、さらには車体フレーム４１に直接的に熱伝導させることができるので、放熱性を向上させることが可能となる。

図４に戻って、ＥＣＵ基板１には、ＣＰＵ３とレギュレータ３０が設けられている。ＣＰＵ３とレギュレータ３０は、それぞれＧＮＤ線２７、２８を介して小電流系ＧＮＤ２５に電気的に接続される。レギュレータ３０は、電源線２９を介して外部のＡＣ発電機（ＡＣＧ、オルタネータ）３７に接続する。レギュレータ３０は、ＡＣ発電機３７からの供給電圧（例えば１４Ｖ）を所定電圧（例えば５Ｖ）に変換し、電源線３１を介してＣＰＵ３や外部の小電力デバイス３８にその所定電圧を供給する。小電力デバイス３８は、比較的小さい電力（電流）で駆動するデバイスであり、例えば大気圧センサや温度センサ等が該当する。小電力デバイス３８は、ＧＮＤ線３３を介して小電流系ＧＮＤ２５に電気的に接続される。小電力デバイス３８の検出信号は、信号線３５を介してＣＰＵ３に送られる。

ＡＣ発電機３７からの供給電圧（例えば１４Ｖ）は、電源線２９を介してさらに大電力デバイス３９に供給される。大電力デバイス３９は、ＧＮＤ線３４を介して大電流系ＧＮＤ２４に電気的に接続される。大電力デバイス３９は、比較的大きい電力（電流）で駆動する機器であり、例えば燃料供給装置、自動変速機等が該当する。

図４の構成を等価回路図として表わすと図５のように記述できる。図５において、ＥＣＵ基板１内には、既に図４において説明したレギュレータ３０、小電流系ＧＮＤ２５、大電流系ＧＮＤ２４が、電気（電圧）的に上流側、すなわち電源Ｖに近い方から順に配置される。大電流系ＧＮＤ２４は、ＦＧ２２に接続する。小電力デバイス３８は、レギュレータ３０と小電流系ＧＮＤ２５とに電気的に接続する。大電力デバイス３９は、外部電源Ｖと大電流系ＧＮＤ２４とに電気的に接続する。

図５の配置、すなわちＦＧ２２に接続する大電流系ＧＮＤ２４の電気（電圧）的に上流側に、小電流系ＧＮＤ２５とレギュレータ３０とを配置することにより、レギュレータ３０の出力と小電流系ＧＮＤ２５とにより駆動する小電力デバイス３８へのノイズの影響を打ち消すことができる。すなわち、大電流系ＧＮＤ２４の上位に小電流系ＧＮＤ２５を配置し、小電流系ＧＮＤ２５を用いて所定電圧（例えば５Ｖ）を生成することによって、大電流系ＧＮＤ２４のノイズと同期した、小電流系ＧＮＤ２５および所定電圧（例えば５Ｖ）を出力することができ、その結果、これらにより駆動する小電力デバイス３８へのノイズの影響を打ち消すことができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施形態に限定されることはなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において改変して用いることができる。

１ ＥＣＵ基板
２ 内部グランド
３ ＣＰＵ
４ 電源
１０ 筐体（ケース）
２２ フレームＧＮＤ（ＦＧ）
２４ 大電流系ＧＮＤ
２５ 小電流系ＧＮＤ
３０ レギュレータ

Claims (1)

1. 電源装置からの電力供給を受けて、物理値を検出するセンサからの電気信号を処理すると共に、制御対象を制御する電気信号を出力する制御装置であって、
   前記センサおよび前記制御対象が電気的に接続する内部グランド部と、
   前記センサを駆動する電力を供給すると共に前記内部グランド部に電気的に接続された電源回路と、
   前記センサからの電気信号を演算処理すると共に前記内部グランド部に電気的に接続された演算装置と、
   を備え、
   前記制御装置は１つの筐体内に収納され、当該筐体は前記制御装置をノイズからシールドするためのケースグランドとして機能し、
   前記内部グランド部は、前記ケースグランドに直接接続する第１グランド部と、当該第１グランド部よりも電気的に上流側に位置する第２グランド部とを有し、
   前記制御対象は前記第１グランド部に接続し、前記センサおよび前記電源回路は前記第２グランド部に接続し、
   前記電源装置から供給された電流であって前記第２グランド部から当該電源装置に向かって流れ出る電流は、前記ケースグランドに直接接続された第１グランド部を経て前記電源装置に至るよう構成され、かつ、
   前記制御装置は車両に用いられ、フレームグランドとして機能する当該車両の車体フレームに前記筐体が直接接続する、
   制御装置。

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