JP5536737B2

JP5536737B2 - 制御装置

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Publication number: JP5536737B2
Application number: JP2011235477A
Authority: JP
Inventors: 伸明竹尾; 淳史倉内; 敬加藤
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2011-10-26
Filing date: 2011-10-26
Publication date: 2014-07-02
Anticipated expiration: 2031-10-26
Also published as: JP2013091456A; EP2604477A1; CN103072487B; CN103072487A; EP2604477B1; US20130106175A1; US9404433B2

Description

本発明は、制御装置に関する。より詳しくは、物理値を検出するセンサからの電気信号を処理するとともに、制御対象を制御する電気信号を出力する電子制御ユニットを備えた制御装置に関する。

ある制御対象に対し、これを電気的に制御する電子制御ユニットは、制御対象だけでなく、この制御対象の状態を把握するための各種センサが接続される。この際、制御対象の状態を正確に把握し、この状態に応じて適切に制御対象を制御するためには、精度の高いセンサ出力（物理値）が要求されることは言うまでもない。

また電子制御ユニットでは、アナログのセンサ出力そのものではなく、センサ出力とグランドとの差分出力をＡ／Ｄ変換して得られるデジタル値が制御プログラムに基づく演算処理に供される。しかしながら、車両などのノイズ影響が強い環境下における電子制御ユニットでは、グランドにノイズが侵入すると上記差分出力が変動してしまい、Ａ／Ｄ変換後のセンサ出力の精度が悪化してしまう。そこで、様々なノイズ対策が検討されている（特許文献１、２参照）。

例えば、特許文献１では、車両用の電子制御ユニットを収容する筺体内に設けられた内部グランドと、筺体と、車体とを電気的に接続した上、電子制御ユニットと電源との間にローパスフィルタを設けることにより、ノイズを除去する技術が開示されている。
また特許文献２には、ノイズ対策として、電子制御ユニット用のグランドとケースグランドとの間に静電気保護素子を設ける技術が開示されている。

実開昭６４−３７３４５号公報特許第４００５７９４号公報

しかしながら、これら特許文献１、２の技術のように、フィルタや保護素子などの付加的な部品を設ける場合、その分だけ基板のサイズが大きくなったりコストが上昇したりする。

本発明は、付加的な部品を設けることなく簡易な構成により、精度の高いセンサ出力を得ることができる制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本発明は、物理値を検出するセンサ（例えば、後述の小電力デバイス群６）からの電気信号を処理するとともに、制御対象（例えば、後述の大電力デバイス群７）を制御する電気信号を出力する電子制御ユニット（例えば、後述の電子制御ユニット２）と、当該電子制御ユニットを収容する筐体（例えば、後述の筐体３）と、を備えた制御装置（例えば、後述の制御装置１）であって、前記電子制御ユニットは、前記筐体に電気的に接続された内部グランド（例えば、後述の内部グランド２４）と、前記センサを駆動するための電力を供給する電源回路（例えば、後述のレギュレータ２２）と、を備え、前記内部グランドは、前記筐体内部のうち前記筐体と前記車体との接続部分側に設けられた第１内部グランド（例えば、後述の大電力用内部グランド２４１）と、前記筐体内部のうち前記接続部分からの電気的な距離が前記第１内部グランドよりも遠い位置に設けられた第２内部グランド（例えば、後述の小電力用内部グランド２４２）とに分けられ、前記制御対象のグランドは、前記第１内部グランドに接続され、前記電源回路のグランドは、前記第２内部グランドに接続され、前記センサのグランドは、前記筐体外部のうち前記接続部分からの電気的な距離が前記第１内部グランドよりも遠い位置（例えば、後述の第１取付部３２１のセンサ取付部３２５）に接続されることを特徴とする。

本発明では、内部グランドと、筺体と、車体とを電気的に接続することにより、共通のグランドを構成した上、制御対象のグランドを筺体内の内部グランドのうち筺体と車体との接続部分に近い第１グランドに接続し、電源回路のグランドを筺体内の内部グランドのうち上記第１内部グランドよりも上記接続部分からの電気的な距離が遠い第２内部グランドに接続し、この電源回路の電力で駆動されるセンサのグランドを筺体外のうち上記第１内部グランドよりも上記接続部分からの電気的な距離が遠い位置に接続する。
ここで、第１内部グランドと、第２内部グランド及びセンサのグランドと筺体との接続部分とを比較すると、第１内部グランドの方が筺体と車体との接続部分までの電気的な距離が短くインピーダンスが低いため、より多くの電流が流れやすいのに対し、第２内部グランド及びセンサのグランドと筺体の接続部分の方は筺体と車体との接続部分までの電気的な距離が長く、電流が流れにくい。このため、第２内部グランドと、センサのグランドと筺体の接続部分とは、ともにほとんど電流が流れることなく略同電位になる。本発明では、このような略同電位になる部分にセンサのグランドとこれを駆動するための電源回路のグランドとを接続することにより、センサの出力を演算処理する過程で、そのノイズの影響をキャンセルすることができる。以上のように本発明によれば、付加的な部品を追加することなくグランドの接続構造のみにより、ノイズの影響を除去し、高い精度のセンサ出力を得ることができる。
なお、センサのグランドを筺体内の第２内部グランドに接続した場合も上記と同様の効果を奏するが、この場合、センサのグランドを筺体内に導入するために、余分なカプラピンが必要となる。したがって、本発明によれば、このようなセンサのグランドを筺体内に導入するものと比較してカプラピンの数を削減することができ、さらなるコストの削減が期待できる。

この場合、前記制御対象は、筐体のうち前記第２内部グランドよりも第１内部グランドに近い位置に設けられたカプラ（例えば、後述のカプラ２５）を介して前記電子制御ユニットに接続されることが好ましい。

本発明では、制御対象を第１内部グランドに近い位置に設けられたカプラを介して電子制御ユニットに接続することにより、筐体の外の制御対象からカプラを介して電子制御ユニットに流入する電流の多くを、第２内部グランドを介して車体へ流すことができるので、よりセンサの出力へのノイズの影響を低減することができる。

本発明の一実施形態に係る車両用の制御装置の基本構成を示す模式図である。小電力用内部グランドの電圧と、電源回路の出力と、センサの出力と、の時間変化を示す図である。上記実施形態におけるＡ／Ｄ変換後のセンサの出力の時間変化を示す図である。上記実施形態に係る制御装置のより詳細な構成を示す模式図である。上記実施形態に係る制御装置の等価回路図である。

図１は、本発明の一実施形態に係る車両用の制御装置１の基本構成を示す模式図である。
制御装置１は、物理値を検出するセンサ６からの電気信号を処理するとともに、制御対象７を制御する電気信号を出力する電子制御ユニット２と、この電子制御ユニット２を収容する筐体３と、を含んで構成され、車体９に接続される。

筐体３は、電子制御ユニット２を収容する箱状の筐体本体３１と、筐体本体３１を支持する取付ステー３２と、を備える。取付ステー３２は、筐体本体３１の図１中上方の側部３１１に沿って延びる第１取付部３２１と、図１中右方の側部３１２に沿って延びる第２取付部３２２と、を備える。筐体本体３１は、取付ステー３２に図示しないボルトにより一体に接続され、取付ステー３２は、第２取付部３２２の端部に形成された車体接続部３２４において車体９に図示しないボルトにより一体に接続される。

筐体本体３１は、導電性の材料、より具体的にはアルミニウムなどの金属で構成される。したがって、筐体本体３１は、内部に収容する電子制御ユニット２を、外部のノイズからシールドするための、いわゆるケースグランドとして機能する。また、取付ステー３２も導電性の材料、より具体的にはアルミニウムなどの金属で構成される。なお、筐体本体３１は、２つの側部３１１，３１２において取付部３２１，３２２に電気的に接続される。また、取付ステー３２は、第２取付部３２２に形成された車体接続部３２４においてのみ、車体９に電気的に接続されている。
また、筐体本体３１の図１中左方の側部３１４には、センサ６及び制御対象７と、電子制御ユニット２とを電気的に接続するカプラ２５が設けられている。

電子制御ユニット２は、略矩形状の基板２１上に、電源回路２２及び中央演算処理装置（以下、「ＣＰＵ」という）２３の他、図示しない入出力インターフェースやメモリなどを配置して構成されるコンピュータである。また、基板２１には、筐体本体３１の内側の面に電気的に接続された内部グランド２４が設けられている。

電源回路２２は、センサ６及びＣＰＵ２３などの装置を駆動するための駆動電圧を発生し、各々に供給する。センサ６は、カプラ２５を介して給電線５７により電源回路２２に接続され、ＣＰＵ２３は給電線５１により電源回路２２に接続されている。

ＣＰＵ２３は、物理値に略比例したセンサ６からの検出信号を処理するとともに、予め定められた制御プログラムに基づいてセンサ６からの検出信号に応じた制御信号を制御対象７に出力し、この制御対象７を制御する。

内部グランド２４は、比較的大きな電圧で駆動される装置のグランドが接続される第１内部グランドとしての大電力用内部グランド２４１と、比較的小さな電圧で駆動される装置のグランドが接続される第２内部グランドとしての小電力用内部グランド２４２とに分けられる。
このうち大電力用内部グランド２４１は、筐体本体３１内部のうち上記車体接続部３２４に近くなるように第２取付部３２２側に設けられ、小電力用内部グランド２４２は、筐体本体３１内部のうち第１取付部３２１側に設けられている。すなわち、これら内部グランド２４１，２４２は、車体接続部３２４から小電力用内部グランド２４２までの電気的な距離が、車体接続部３２４から大電力用内部グランド２４１までの電気的な距離よりも遠くなるように、筐体本体３１の内部に設けられる。また、図１に示すように、大電力用内部グランド２４１は、カプラ２５までの電気的な距離が小電力用内部グランド２４２よりも短くなるように筐体本体３１内部に設けられている。これら内部グランド２４１，２４２は、いずれも導電性の材料、より具体的にはメッキ銅で構成される。

本実施形態の制御装置１では、大電力用内部グランド２４１と、小電力用内部グランド２４２と、筐体本体３１と、取付ステー３２と、車体９とにより、共通のグランドが形成される。
ここで、大電力用内部グランド２４１と、小電力用内部グランド２４２及び取付ステー３２の第１取付部３２１とを比較すると、大電力用内部グランド２４１の方が、取付ステー３２の車体接続部３２４までの電気的な距離が短くインピーダンスが低いため、カプラ２５からの電流がより多く流れるのに対し、小電力用内部グランド２４２及び第１取付部３２１の方は、車体接続部３２４までの電気的な距離が長く、カプラ２５からの電流は流れにくい。したがって、制御装置１のうち、車体接続部３２４からの電気的な距離が大電力用内部グランド２４１よりも遠い部分、すなわち、図１中太破線で示す部分よりも上側の部分は、カプラ２５からの電流がほとんど流れることなく略同電位になる。

次に、各種装置のグランドの接続構造について説明する。電源回路２２のグランドは、ＧＮＤ線５２により、小電力用内部グランド２４２に電気的に接続される。制御対象７のグランドは、カプラ２５を介しＧＮＤ線５３により、大電力用内部グランド２４１に電気的に接続される。ＣＰＵ２３のグランドは、ＧＮＤ線５４により、小電力用内部グランド２４２に電気的に接続される。また、車体９には、図示しないＡＣ発電機のグランドが電気的に接続される。

また、センサ６のグランドは、筐体本体３１外部のうち車体接続部３２４からの電気的な距離が大電力用内部グランド２４１よりも遠い位置、例えば第１取付部３２１の端部に形成されたセンサ取付部３２５に、ＧＮＤ線５５により電気的に接続される。上述のように、小電力用内部グランド２４２と第１取付部３２１とは略同電位になると考えられることから、センサ６のグランドを筐体本体３１外部のセンサ取付部３２５に接続しても、小電力用内部グランド２４２に接続した場合と同じ効果が得られる。

次に、以上のような制御装置１におけるセンサ６の出力からノイズを除去する処理について説明する。以下に示す処理は、電子制御ユニット２においてＣＰＵ２３を主体として実行される。
図２は、小電力用内部グランド２４２の電圧と、電源回路２２の出力電圧と、センサ６の出力電圧と、の時間変化を示す図である。図３は、センサ６の出力電圧を後述の手順によりＡ／Ｄ変換して得られる出力の時間変化を示す図である。

図２に示すように、第２内部グランド２５２の電圧は、ノイズの影響によって僅かに変動する。
これに対し、電源回路２２は第２内部グランド２５２に電気的に接続されているので、電源回路２２の出力も、この第２内部グランド２５２のノイズの影響を受けて変動する。
一方、電源回路２２の出力によって駆動されるセンサ６のグランドは、電源回路２２が接続された第２内部グランド２５２ではなく筐体外の取付ステー３２のセンサ取付部３４に電気的に接続されているが、上述のようにセンサ取付部３４は第２内部グランド２５２と略同電位になっているため、センサ６の出力電圧も電源回路２２の出力電圧と同様のノイズの影響を受けて変動する。

そこで、電子制御ユニット２では、センサ６の出力電圧からノイズの影響をキャンセルするべく、センサ６の出力電圧と第２内部グランド２５２の電圧との差分をＡ／Ｄ変換して得られるデジタル値を利用する。これにより、図３に示すように、ノイズの影響が除去された精度の高いセンサ６の出力（Ａ／Ｄ変換後）を得ることができる。

次に、図４及び図５を参照し、上記実施形態の制御装置１のより詳細な構成について説明する。なお以下の説明では、図１を参照して説明した部分と同じ構成又は下位概念化した構成については、同じ符号を付し、重複する説明を省略する。

図４は、制御装置１のより詳細な構成を示す模式図である。
図４に示すように、取付ステー３２は、箱状の筐体本体３１の図４中上方の側部３１１に沿って延びる第１取付部３２１と、図４中右方の側部３１２に沿って延びる第２取付部３２２と、図４中下方の側部３１３に沿って延びる第３取付部３２３と、を備える。筐体本体３１は、３つの側部３１１，３１２，３１３において、取付部３２１，３２２，３２３に電気的に接続されている。また、筐体本体３１は、側部３１１，３１３においてボルト３１５，３１６により取付部３２１，３２３に締結されている。

内部グランド２４は、大電力用内部グランド２４１と小電力用内部グランド２４２とに分けられる。小電力用内部グランド２４２は、基板２１の内側に図４中上下方向に沿って設けられている。これに対し、大電力用内部グランド２４１は、基板２１の周縁部に沿って設けられている。より具体的には、大電力用内部グランド２４１は、筐体本体３１の側部３１２，３１３に沿って、基板２１の内側に設けられた小電力用内部グランド２４２を、車体接続部３２４により近い第２取付部３２２及び第３取付部３２３側から囲うようにして、基板２１の周縁部に設けられている。これら大電力用内部グランド２４１と小電力用内部グランド２４２とは、小電力用内部グランド２４２が大電力用内部グランド２４１よりも電気的に上流側になるように、基板２１上で電気的に接続されている。また、大電力用内部グランド２４１には小電力用内部グランド２４２よりも大きな電流が流れるため発熱量が大きくなることを想定して、大電力用内部グランド２４１の配線パターン、より具体的には長さと幅の比は小さくなるように設計されている。
以上のように構成された内部グランド２４は、導電性の材料（より具体的には、メッキ銅）からなる帯状の接続部材２６により、基板２１の周縁部において、筐体本体３１の内側に電気的に接続されている。

電子制御ユニット２には、比較的小さな電力で駆動される複数の小電力デバイスで構成された小電力デバイス群６と、比較的大きな電力で駆動される複数の大電力デバイスで構成された大電力デバイス群７とがカプラ２５を介して電気的に接続されている。

小電力デバイス群６は、より具体的には、大気圧の値を検出する大気圧センサや外気の温度値を検出する温度センサなどの複数のセンサで構成される。小電力デバイス群６を構成する各種センサは、カプラ２５を介して信号線５９によりＣＰＵ２３に接続されている。各種センサにより検出された物理値に略比例する検出信号は、信号線５９を介してＣＰＵ２３に送信される。

大電力デバイス群７は、より具体的には、燃料インジェクタや自動変速機などの、電子制御ユニット２の制御対象となる各種装置で構成される。大電力デバイス群７を構成する各種装置は、カプラ２５を介して図示しない信号線によりＣＰＵ２３に接続されている。各種装置には、この信号線を介してＣＰＵ２３から送信された制御信号が入力される。

電子制御ユニット２の基板２１には、ＣＰＵ２３や電源回路としてのレギュレータ２２が設けられている。
レギュレータ２２は、カプラ２５を介して、給電線５６により筐体本体３１の外部に設けられたＡＣ発電機（以下、「ＡＣＧ」という）８に接続されている。レギュレータ２２は、ＡＣＧ８から供給された電圧（例えば、１４Ｖ）を所定の電圧（例えば、５Ｖ）に変換する。レギュレータ２２は、給電線５１によりＣＰＵ２３に接続され、給電線５７によりカプラ２５を介して小電力デバイス群６に接続されている。ＣＰＵ２３及び小電力デバイス群６には、これら給電線５１，５７を介してレギュレータ２２からの駆動電圧が供給される。また、大電力デバイス群７は、カプラ２５を介して給電線５８によりＡＣＧ８に接続されている。大電力デバイス群７には、この給電線５８を介してＡＣＧ８からの駆動電圧が供給される。

次に、以上のように構成された制御装置１における各種装置のグランドの接続構造について説明する。
レギュレータ２２のグランドは、ＧＮＤ線５２により、小電力用内部グランド２４２に電気的に接続される。ＣＰＵ２３のグランドは、ＧＮＤ線５４により、小電力用内部グランド２４２に電気的に接続される。ＡＣＧ８のグランドは、車体９に電気的に接続されている。大電力デバイス群７のグランドは、カプラ２５を介して、ＧＮＤ線５３により大電力用内部グランド２４１に電気的に接続される。また、小電力デバイス群６を構成する各センサのグランドは、第１取付部３２１の端部に形成されたセンサ取付部３２５に、ＧＮＤ線５５により電気的に接続される。

以上のように構成された制御装置１によれば、カプラ２５からの電流の多くは、制御装置１のうちよりインピーダンスの低い大電力用内部グランド２４１側、すなわち図４中太破線で示す部分より下側の部分を流れる。これに対し、制御装置１のうち、車体接続部３２４からの電気的な距離が大電力用内部グランド２４１よりも遠い部分、すなわち図４中太破線で示す部分よりも上側の部分は、カプラ２５からの電流がほとんど流れることなく略同電位になる。

図５は、制御装置１を等価回路図として表したものである。
図５に示すように、車体９に接続されたＡＣＧ８に対し、レギュレータ２２と、小電力用内部グランド２４２と、取付ステー３２の第１取付部３２１と、大電力用内部グランド２４１と、車体９とが、上流側からこの順で電気的に接続される。

これに対し、複数のセンサで構成された小電力デバイス群６は、レギュレータ２２と第１取付部３２１とに電気的に接続され、制御対象としての大電力デバイス群７は、レギュレータ２２と大電力用内部グランド２４１とに電気的に接続される。ここで、上述のようにレギュレータ２２のグランドが接続される小電力用内部グランド２４２と、小電力デバイス群６のグランドが接続される第１取付部３２１とは、それぞれ筐体本体３１の内側と外側に設けられているものの、実質的に略同電位となっている。このように、制御装置１では、大電力用内部グランド２４１より上流側に小電力用内部グランド２４２を配置するとともに、第１取付部３２１と小電力用内部グランド２４２とを略同電位にすることにより、レギュレータ２２の出力と小電力用内部グランド２４２とにより駆動される小電力デバイス群６へのノイズの影響を打ち消すことができる。

本実施形態の制御装置１によれば、以下の効果を奏する。
（１）本実施形態の制御装置１では、このような略同電位となる小電力用内部グランド２４２及び第１取付部３２１に、それぞれ小電力デバイス群６のグランドとこれを駆動するためのレギュレータ２２グランドとを接続することにより、小電力用内部グランド２４２に接続されたＣＰＵ２３でセンサの出力をＣＰＵ２３で演算処理する過程でノイズの影響をキャンセルすることができる。以上のように本発明によれば、付加的な部品を追加することなくグランドの接続構造のみにより、ノイズの影響を除去し、高い精度のセンサ出力を得ることができる。
なお、小電力デバイス群６のグランドを筐体本体３１内の小電力用内部グランド２４２に接続した場合も、上述と同じ効果を奏するが、この場合、小電力デバイス群６のグランドを筐体本体３１内に導入するために、余分なカプラピンが必要となる。したがって、本実施形態の制御装置１によれば、小電力デバイス群６のグランドを筐体本体３１内に導入するものと比較してカプラピンの数をセンサの数だけ削減でき、さらなるコストの削減が期待できる。
また、筐体本体３１の内側の面に内部グランド２４を電気的に接続することにより、内部グランド２４及び筐体本体３１を介した熱伝導経路が形成されるので、筐体本体３１内部の放熱性を向上できる。

（２）また、大電力デバイス群７を、大電力用内部グランド２４１に近い位置に設けられたカプラ２５を介して電子制御ユニット２に接続することにより、筐体本体３１の外の大電力デバイス群７からカプラ２５を介して電子制御ユニット２に流入する電流の多くを、大電力用内部グランド２４１を介して車体９へ流すことができるので、より小電力デバイス群の出力へのノイズの影響を低減することができる。

なお、本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。

１…制御装置
２…電子制御ユニット
２１…基板２１
２２…レギュレータ２２
２３…ＣＰＵ
２４…内部グランド
２４１…大電力用内部グランド（第１内部グランド）
２４２…小電力用内部グランド（第２内部グランド）
２５…カプラ
２６…接続部材
３…筐体
３１…筐体本体
３２…取付ステー
３２１…第１取付部
３２４…車体接続部
３２５…センサ取付部
６…小電力デバイス群（センサ）
７…大電力デバイス群
９…車体

Claims

物理値を検出するセンサからの電気信号を処理するとともに、制御対象を制御する電気信号を出力する電子制御ユニットと、
当該電子制御ユニットを収容する筐体と、を備えた制御装置であって、
前記電子制御ユニットは、前記筐体に電気的に接続された内部グランドと、前記センサを駆動するための電力を供給する電源回路と、を備え、
前記内部グランドは、前記筐体内部のうち前記筐体と前記車体との接続部分側に設けられた大電力用内部グランドと、前記筐体内部のうち前記接続部分からの電気的な距離が前記大電力用内部グランドよりも遠い位置に設けられた小電力用内部グランドとに分けられ、
前記制御対象のグランドは、前記大電力用内部グランドに接続され、
前記電源回路のグランドは、前記小電力用内部グランドに接続され、
前記センサのグランドは、前記筐体外部のうち前記接続部分からの電気的な距離が前記大電力用内部グランドよりも遠い位置に接続され、
前記制御対象は、前記センサと比較して大きな電力で駆動されるデバイスを含むことを特徴とする制御装置。
前記制御対象は、筐体のうち前記小電力用内部グランドよりも大電力用内部グランドに近い位置に設けられたカプラを介して前記電子制御ユニットに接続されることを特徴とする請求項１に記載の制御装置。