JP5932611B2

JP5932611B2 - 複数のグランドパターンを有する回路基板を備えた制御装置

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Publication number: JP5932611B2
Application number: JP2012251359A
Authority: JP
Inventors: 淳史倉内; 隆俊斉藤
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2012-11-15
Filing date: 2012-11-15
Publication date: 2016-06-08
Anticipated expiration: 2032-11-15
Also published as: JP2014099552A

Description

本発明は、回路基板を備える制御装置に関し、特に、当該回路基板が複数のグランドパターンを有する制御装置に関する。

制御装置は、一般に、観測可能な物理量を操作量として検出し、当該操作量が目標値と一致するように制御対象に与える制御量を決定する。例えば、ヒータにより水温を制御する場合には、観測可能な物理量である水温を操作量として温度センサ等により検出し、当該水温が目標温度となるように、制御対象であるヒータに与える制御量、例えば当該ヒータへの通電電流値を決定する。従って、操作量を精度良く検出することは、精度のよい制御を行うための必須要件となる。

一般に、センサは、検出した物理量を当該物理量の大きさに応じた電圧値等に変換し、当該物理量を電気信号として制御装置に与える。ここで、当該電気信号の電圧値は、センサが、当該センサに対し与えられているグランド（接地、ＧＮＤ（Ground））電位を基準（０Ｖ）とし、このグランド電位に対する差分電圧として生成する。

一方、制御装置は、センサから受信した電気信号の電圧（信号電圧）を、例えばデジタル値に変換し、当該デジタル値を用いて演算処理を行うことにより、制御量を算出する。通常、この信号電圧は、制御装置を構成する電気回路のグランド（接地、ＧＮＤ）を基準（０Ｖ）とし、グランド電位からの差分電圧として扱われる。

したがって、センサに与えるグランドの電位と制御装置を構成する電気回路のグラントの電位とが異なる場合には、制御装置がセンサから受信する電気信号は、当該センサが検知した物理量を正しく表していないものとなり、制御動作に誤りを生ずることとなる。

このため、一般に、センサと制御回路とは、制御回路からセンサへ当該センサの動作に必要な電源を供給する電源線と、センサから制御回路へ当該センサが検知した物理量の大きさ等を表わす電気信号（センサ信号）を送信するための信号線と、制御回路とセンサのグランド電位を等しくするためのグランド線とにより接続される。当該グランド線は、通常、制御装置が備える制御回路内のグランドラインに接続され、上記電源線が供給する電圧のレベルを規定するほか、センサにより上記センサ信号を生成する際の基準電位としても用いられる。

しかしながら、制御対象に大電流が通電されるような場合には、制御回路を構成する回路基板上のグランドパターンといえども微小な電気抵抗を有することから、制御対象からグランドへ還流した大電流により電圧降下が発生してグランドパターン内（あるいはグランドライン内）に電圧分布が生じ、制御回路を構成する電気部品間のグランド電位に変動が生じ得る。その結果、センサに与えるグランド電位も変動し、センサ信号を正しく受信することができなくなって、制御動作に誤りを生ずることとなる。

また、一般に、制御を行う際には、センサ信号をＡＤ変換してデジタル信号とし、当該デジタル信号に対しＣＰＵ（Central Processor Unit）や論理回路等のデジタル回路を用いて演算を行うことで制御対象を制御するための制御量を決定する。すなわち、センサ信号を取り扱うアナログ信号系の回路と、ＡＤ変換後のデジタル信号を扱うデジタル系の回路と、制御対象を扱う電力系の回路とは、一続きの回路として構成される。したがって、制御の正確さの観点からは、これら各回路のグランド電位は同電位であるか、もしくは異なる電位であっても互いの電位差が一定であることが望ましい。

そこで、上述のような、制御対象からグランドへ向かって還流する大電流により発生した制御用グランドライン内の電圧降下に起因する制御誤りを回避することを目的として、特許文献１には、回路基板上に設けられた内部グランドをケースグランド（筐体）に接続し、回路基板上における、センサからのグランドラインと内部グランドとの接続点、及び、当該センサに電圧を供給する内部電源回路のグランドラインと内部グランドとの接続点を、制御対象からのグランドラインと内部グランドとの接続点よりも上流側、すなわち、各接続点から内部グランドを経てケースグランドへと流れ出る電流経路に沿って上流側に配するものとした、制御装置が記載されている。

特許文献１に記載の制御装置では、制御対象から還流する大電流により発生する内部グランド内の電圧降下によりセンサのグランドラインと内部電源のグランドラインとの間に電位差が生ずる現象を効果的に回避することができるが、制御回路の基板内に少なくとも上流部分と下流部分とが明確になる程度の広さを持つ内部グランドパターンを設ける必要があることから、制御回路基板のサイズが大きくなり、また、内部グランドパターン上における上記各接続点に対し相対的な位置関係（すなわち、接続点の配置）についての制約が課されることから、回路基板内における結線パターンの配置の自由度や電気部品の配置の自由度が制限される。すなわち、特許文献１に記載の制御装置は、回路基板のサイズ及び当該回路基板内のレイアウトの自由度の点で、なお改善の余地がある。

特開２０１２−１１４２１８号公報

上記の背景から、回路基板のサイズ及び回路基板内のレイアウトの自由度を制限することなく、制御対象等からグランドラインへ還流する大電流によりグランド電位が変動することによる制御動作への影響を回避できる、制御回路の実現が望まれている。

本発明は、制御回路を構成する電気部品が搭載された回路基板と、電源のグランドに直接又は間接に電気的に接続される筐体とを備え、センサからの信号を受信して制御対象を制御する制御装置であって、前記回路基板は、前記電気部品のグランドが接続された複数のグランドパターンを有し、前記複数のグランドパターンは、前記筐体を介して互いに電気的に接続される。
本発明の他の態様によると、前記電源に向かって流れ出すグランド電流が最も大きい前記グランドパターンは、当該グランドパターンと、前記複数のグランドパターンから前記筐体を介して前記電源に至るグランド電流の電流経路との接続位置が、当該電流経路に沿って前記複数のグランドパターンのうちで最も下流となるように配される。
本発明の他の態様によると、前記グランドパターンは、前記各グランドパターンと前記電流経路との接続位置が、前記グランドパターンから前記電源に向かって流れ出すグランド電流の小さい順に、前記電流経路に沿って上流から下流に向かって配される。
本発明の他の態様によると、前記制御対象のグランドは、最も下流の位置において電流経路に接続される前記グランドパターンに接続され、前記センサのグランドは、最も下流の位置において電流経路に接続される前記グランドパターン以外のグランドパターンに接続される。
本発明の他の態様によると、デジタル信号を処理する処理回路を備え、前記処理回路のグランドが接続された前記グランドパターンは、当該グランドパターンと前記電流経路との接続位置が、前記センサのグランドが接続されたグランドパターンよりも下流に、かつ、前記制御対象のグランドが接続されたグランドパターンよりも上流となるように配される。
本発明の他の態様によると、前記制御装置は、車両に搭載されて当該車両の動作を制御するものである。

本発明によれば、制御装置において、回路基板のサイズ及び回路基板内のレイアウトの自由度を制限することなく、制御対象等からグランドラインへ還流する大電流によりグランド電位が変動することによる制御動作への影響を防止することができる。

本発明の第１の実施形態に係る制御装置の構成を示す図である。図１に示す本制御装置のグランド電流の電流経路を模式的に示した図である。図１に示す本制御装置の等価回路を示す電気回路図である。図１に示す本制御装置の変形例を示す図である。本発明の第２の実施形態に係る制御装置の構成を示す図である。

以下、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、本実施形態では、本発明に従う制御装置の例として、車両に搭載され当該車両の動作を制御する制御装置を示しているが、本発明に係る制御装置は本用途に限られるものではなく、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。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る制御装置の構成を示す図である。
本制御装置１０は、車両に搭載され当該車両のエンジン制御を行う電子制御ユニット（ＥＣＵ、Electronic Control Unit）であり、制御回路を構成する電子部品が搭載された印刷回路基板である回路基板１００と、回路基板１００に配されたコネクタ１０２と、回路基板１００及びコネクタ１０２を収容する筐体１０４と、を有している。なお、回路基板１００は筐体１０４に収容されているため、筐体１０４の外部から回路基板１００を視認することはできないが、図１においては、説明のため、筐体１０４の内部に主要されている部分についても実線を用いて示している。

筐体１０４は、その外側面にフランジ１０６及び１０８が設けられている。筐体１０４及びフランジ１０６、１０８は、共に金属（例えばアルミニウム）等の導電性材料により構成されており、筐体１０４は、フランジ１０６、１０８により車体１１０に機械的に固定されると共に、車体１１０に対し電気的に接続される。

回路基板１００上には、処理回路１１２と、電源回路１１４と、駆動回路１１６が配され、回路基板１００上に形成された銅箔等の電気回路パターンにより互いに電気的に接続されて制御回路を構成している。なお、図１において回路基板１００上に示した、処理回路１１２、電源回路１１４、駆動回路１１６等を結ぶ線分は、回路基板１００上に形成された電気回路パターンを模式的に示したものであり、当該線分の交差部に示された黒丸は、当該交差部において電気回路パターンが互いに電気的に接続されていることを示している。また、黒丸が示されていない線分の交差部は、当該交差部を構成する電気回路パターンが電気的に接続されていないことを示しており、例えば、当該交差部では、一方の電気回路パターンが、回路基板１００に設けられたビアホール等を介して回路基板１００の裏面に逃げることで、電気的接続が回避される。

処理回路１１２は、例えば、ＣＰＵ、ＡＤ変換器（アナログ・デジタル変換器、Analog-to-Digital Converter）、ＡＮＤ回路やＯＲ回路等の論理回路デバイス、ＰＬＤ（Programmable Logic Device）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等のデジタル回路により構成され、センサ１１８から受信したセンサ信号に基づいて、制御対象１２０を制御するための制御量を算出する。

ここで、センサ１１８は、制御対象１２０を制御するための操作量を検出するセンサであって、たとえば、速度センサ、加速度センサ、エンジンの回転センサ等である。また、制御対象１２０は、例えば、車両の走行等に影響を与えるブレーキ、エンジンスロットル、燃料供給配管に設けられた電磁弁等を動作させる各種のアクチュエータとすることができる。

電源回路１１４は、例えばレギュレータであり、車載発電機ＡＣＧ（オルタネータ、Alternating Current Generator）１２２から供給された電圧を所定の電圧値に変換して、処理回路１１２とセンサ１１８に電力を供給する。ここで、ＡＣＧ１２２は、エンジンの回転運動により発電する発電機により構成されており、ＡＣＧ１２２のグランド端子は車体１１０に接続されている。

駆動回路１１６は、例えばＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）等のトランジスタを用いた電力増幅回路により構成され、ＡＣＧ１２２からの電源供給を受けて動作し、処理回路１１２から受信した制御量に基づき、制御対象１２０に与えるべき電流又は電圧値を決定して、当該決定した電流又は電圧値を持つ出力を制御対象１２０に出力する。

コネクタ１０２は、車両内の各電気機器を接続するワイヤーハーネス（不図示）を構成する２つのケーブル１２４及び１２６、並びに、ＡＣＧ１２２から電源を供給するためのワイヤ線１２８が接続され、これらのケーブル１２４、１２６、及びワイヤ線１２８を回路基板１００上の電気回路に電気的に接続する。

ケーブル１２４は、電源回路１１４の出力電圧をセンサ１１８に供給する電源線１３０と、センサ１１８にグランド電位を与えるグランド線１３２と、センサ１１８が検知した操作量を表わす電気信号であるセンサ信号を伝送する信号線１３４と、を有している。

ケーブル１２６は、駆動回路１１６の出力を制御対象１２０に供給するための駆動電力線１３６と、制御対象１２０のグランド端子に接続されたグランド線１３８と、を有している。

回路基板１００の外周部の一部、本実施形態では、図１における回路基板１００の図示右側の辺に、それぞれが矩形状のグランドパターンとして構成された信号用グランド（ＳＧ、Signal Ground）１４０と、論理回路用グランド（ＬＧ、Logic Ground）１４２と、電力用グランド（ＰＧ、Power Ground）１４４と、が設けられている。

ＳＧ１４０は、回路基板１００上に形成された配線ライン１５０を介して、センサ１１８からのグランド線１３２が接続されており、信号線１３４が伝送するセンサ信号の電圧レベルの基準を与える。
ＬＧ１４２は、回路基板１００上に形成された配線ライン１５２を介して処理回路１１２のグランド端子に接続されており、処理回路１１２の内部動作及び出力信号に用いられるパルス信号の電圧レベル、すなわち当該パルス信号の論理値を規定する基準を与える。また、ＬＧ１４２には、回路基板１００上に形成された配線ライン１５４を介して電源回路１１４のグランドも接続されている。

ＰＧ１４４は、回路基板１００上に形成された配線ライン１５６を介して、ケーブル１２６内のグランド線１３８が接続されており、制御対象１２０からグランドへ還流する電流の復路を構成する。また、ＰＧ１４４には、配線ライン１５６を介して駆動回路１１６のグランドも接続されている。

なお、回路基板１００上の電気回路は、図１に示す例では一つのセンサ及び一つの制御対象を扱うものとして記載されているが、複数のセンサ及び複数の制御対象を扱うものとして構成することもできる。この場合には、例えば、複数のセンサに接続された各グランドラインはＳＧ１４０にまとめて接続され、複数の制御対象に接続された各グランドラインはＰＧ１４４に接続されるものとすることができる。また、センサの種類や当該センサにより検知される物理量、許容される検知誤差の大きさ、あるいは、当該センサに対するＡＤ変換回路の必要性の有無等によっては、当該センサのグランドラインを、ＳＧ１４０のほか、ＬＧ１４２に接続することもできる。

回路基板１００の裏面の、ＳＧ１４０、ＬＧ１４２、及びＰＧ１４４に対向する領域には、ＳＧ１４０、ＬＧ１４２、及びＰＧ１４４と同形状を持つ回路パターン（裏面パターン）（不図示）がそれぞれ設けられている。また、ＳＧ１４０、ＬＧ１４２、及びＰＧ１４４のそれぞれと、対応する各裏面パターンとの間は、それぞれビアホール等により電気的に接続されている。各裏面パターンは、回路基板１００がネジ等により筐体１０４に機械的に固定されたときに、筐体１０４と接触するよう構成されており、この接触により、ＳＧ１４０、ＬＧ１４２、及びＰＧ１４４は、それぞれ筐体１０４に電気的に接続される。なお、ＳＧ１４０、ＬＧ１４２、及びＰＧ１４４と筐体１０４との電気的接続は、裏面パターンを介して行う方法には限られず、例えば、各グランドパターン（即ち、ＳＧ１４０、ＬＧ１４２、及びＰＧ１４４）と筐体１０４との間に、それぞれ個別の導体を半田付けして行うものとしてもよい。

これにより、ＡＣＧ１２２から回路基板１００に供給された電流は、センサ１１８、制御対象１２０、および処理回路１１２等を含む電気回路部品を通過した後、ＳＧ１４０、ＬＧ１４２、及びＰＧ１４４から筐体１０４及び車体１１０を経て、ＡＣＧ１２２のグランド端子へ戻り、電流の循環経路が構成される。なお、以下では、処理回路１１２、電源回路１１４、駆動回路１１６、センサ１１８、制御対象１２０等の回路負荷からＡＣＧ１２２のグランド端子へ向かって流れる電流を、グランド電流とも称するものとする。

一般に、センサからのグランド電流は数μＡから数ｍＡ程度であるのに対し、処理回路からのグランド電流は、これより３桁程度大きい数百ｍＡから数Ａであり、アクチュエータ等の制御対象からのグランド電流は、さらに数桁大きい数十Ａから数百Ａに達する。このため、筐体１０４及び車体１１０は、金属等の導電性材料で構成されているといえども、数十Ａから数百Ａにも及ぶ制御対象１２０からのグランド電流が通過することにより、無視し得ない電圧降下を発生させる。

本実施形態における回路基板１００は、上述のとおり、グランド電流の少ないセンサ関連の回路のグランド及び処理回路関連のグランドをＳＧ１４０及びＬＧ１４２にそれぞれまとめて接続し、最もグランド電流の大きい制御対象関連のグランドをＰＧ１４４にまとめて接続する構成となっている。したがって、ＳＧ１４０、ＬＧ１４２、及びＰＧ１４４から筐体１０４へ流れ出るグランド電流（流出電流）の大きさは、ＳＧ１４０が最も小さく数μＡから数ｍＡ程度であり、ＬＧ１４２が次に小さく数百ｍＡから数Ａであり、ＰＧ１４４が最も大きく数十Ａから数百Ａとなる。

また、本実施形態に係る回路基板１００は、特に、ＳＧ１４０、ＬＧ１４２、及びＰＧ１４４が、それぞれ流出電流の少ない順に、筐体１０４と車体１１０とを介してＡＣＧ１２２へ至るグランド電流の電流経路に沿って上流から下流側へ向かって個別に配置されている。

このため、回路基板１００においては、ＰＧ１４４から流れ出す大きなグランド電流により、筐体１０４と車体１１０とを介してＡＣＧ１２２へ至る電流経路に電圧効果が生じてＰＧ１４４の電位が上がったとしても、これと同じだけＳＧ１４０及びＬＧ１４２の電位も上昇することとなり、ＳＧ１４０、ＬＧ１４２、及びＰＧ１４４の電位変化は時間的に同位相で変化することとなる。

次に、図２及び図３を用いて上記の作用について説明する。
図２は、図１に示す制御装置１０の回路基板１００における、各グランドパターンＳＧ１４０、ＬＧ１４２、ＰＧ１４４から流れ出すグランド電流の電流経路を示した図である。
図示の位置Ｓ１においてＳＧ１４０から筐体１０４へ向かって流れ出た電流は、黒い太線の矢印で示すように、筐体１０４に沿って図示下方へ流れ、フランジ１０８を介して車体１１０へ流れてＡＣＧ１２２のグランド端子に流入する。ＳＧ１４０の次に流出電流の少ないＬＧ１４２は、ＳＧ１４０からＡＣＧ１２２に至るグランド電流の電流経路（グランド電流経路）に沿って位置Ｓ１よりも下流の位置Ｌ１に配置されており、位置Ｌ１においてＬＧ１４２から筐体１０４へ流れ出たグランド電流は、ＳＧ１４０からのグランド電流と合流し、太線矢印に沿って図示下方へ流れる。また、流出電流の最も大きいＰＧ１４４は、グランド電流経路に沿って位置Ｌ１よりもさらに下流の位置Ｐ１に配置されており、位置Ｌ１においてＰＧ１４４から筐体１０４へ流れ出たグランド電流は、ＳＧ１４０及びＬＧ１４２からのグランド電流と合流し、太線矢印に沿って図示下方及び左方へ流れ、車体１１０を介してＡＣＧ１２２のグランド端子へ至る。

このように、ＳＧ１４０、ＬＧ１４２、ＰＧ１４４は、流出電流の少ない順に、筐体１０４及び車体１１０を介してＡＣＧ１２２のグランド端子に至るグランド電流経路に沿って上流から下流に向かって配置されている。

また、ＰＧ１４４から流れ出る数十Ａから数百Ａに及ぶ大きなグランド電流は、ＰＧ１４４が配されている位置Ｐ１とＡＣＧ１２２のグランド端子とを電気的に結ぶ筐体１０４及び車体１１０の部分にのみ流れ、この部分においてのみ、無視し得ない電圧降下を発生させる。

図３は、図１に示す制御装置１０の等価回路を示す回路図である。
電池３００はＡＣＧ１２２を模式的に電池として示したものであり、ブロック３０４は電気部品としてのセンサ１１８を、ブロック３０６は処理回路１１２及び電源回路１１４を、ブロック３０８は駆動回路１１６と制御対象１２０とを、それぞれ表わしている。また、ブロック３１０、３１２、及び３１４は、それぞれ、ＳＧ１４０、ＬＧ１４２、ＰＧ１４４を表わしている。

また、抵抗３１６は、図２における位置Ｓ１から位置Ｌ１までの区間の筐体１０４の電気抵抗を表わし、抵抗３１８は、位置Ｌ１から位置Ｐ１までの区間の筐体１０４の電気抵抗を表わす。さらに、抵抗３２０は、位置Ｐ１からフランジ１０８までの電流経路における筐体１０４の電気抵抗を表わしており、抵抗３２２は、フランジ１０８の位置からＡＣＧ１２２に至るまでの電流経路における車体１１０の電気抵抗を表わしている。

図３において、流出電流が最も少ないＳＧ１４０からの電流のみが通電される抵抗３１６（筐体１０４の一部）における電圧降下、及び、流出電流が次に少ないＬＧ１４２からの電流とＳＧ１４０からの電流とが通電される抵抗３１８（筐体１０４の一部）における電圧降下は、上述したとおりＳＧ１４０からの流出電流が数μＡから数ｍＡ程度、ＬＧ１４２からの流出電流が数百ｍＡから数Ａ程度であることから、ほとんど無視することができ、約０Ｖとみなすことができる。

これに対し、ＳＧ１４０、ＬＧ１４２、及びＰＧ１４４からの流出電流がすべて通電される抵抗３２０（筐体１０４の一部）と抵抗３２２（車体の一部）における電圧降下Ｖ_ｄは、ＰＧ１４４の流出電流がＳＧ１４０、ＬＧ１４２の流出電流より数桁程度大きい（数十Ａから数百Ａ）ことから、無視し得ない値となる。

しかしながら、そのような無視し得ない電圧降下Ｖ_ｄが生じたとしても、抵抗３１６及び３１８における電圧降下はほぼ０Ｖであるため、ＳＧ１４０、ＬＧ１４２、及びＰＧ１４４間の電位差はほぼ０Ｖとなる。

このため、制御対象１２０からの大きなグランド電流により電圧降下Ｖ_ｄが発生あるいは変動したとしても、回路基板１００上の各電気部品に与えられるグランド間の電位差はほぼ０Ｖとなり、当該電圧降下の発生あるいは変動に起因する制御動作の異常や制御誤差の発生は回避される。

また、各グランドパターンＳＧ１４０、ＬＧ１４２、ＰＧ１４４からの流出電流は、回路基板１００の外側にあるグランド電流経路の一部（本実施形態においては筐体１０４）において合流されるので、ＳＧ１４０、ＬＧ１４２、ＰＧ１４４は、回路基板１００上において接続されている必要はなく、回路基板１００上における電気部品や回路パターンの配置についての制約は緩くなり、レイアウトの自由度が向上する。

さらに、ＳＧ１４０、ＬＧ１４２、ＰＧ１４４は、回路基板１００上の、例えば外周部に、広い面積で設けることができるので、回路基板１００上の電気部品が発生した熱は、回路基板１００を経てこれらのグランドパターンＳＧ１４０、ＬＧ１４２、ＰＧ１４４を介して筐体１０４へ効率良く発散させることができ、回路基板１００の放熱特性が向上する。また、その結果として、回路基板１００の温度上昇を抑制することができることから、回路基板１００のサイズを小さくすることができ、制御装置１０（例えば、ＥＣＵ）を小型化することができる。

なお、本実施形態においては、ＳＧ１４０、ＬＧ１４２、ＰＧ１４４を、流出電流の少ない順に、グランド電流経路に沿って上流から配置するものとしたが、本実施形態のようにＰＧ１４４より上流における電圧降下を無視し得る場合には、ＳＧ１４０及びＬＧ１４２に関しては必ずしも流出電流順に上流から配置する必要はない。すなわち、最も大きい流出電流を持つＰＧ１４４がグランド電流経路に沿って最も下流に配されていれば、本制御装置１０について上述した作用及び効果を発揮することができる。

また、本実施形態では、回路基板１００上のグランドをＳＧ１４０、ＬＧ１４２、ＰＧ１４４の３つに分割して設けることとしたが、これに限らず、所定の電流値以上のグランド電流を流す大電流用グランドと、当該所定の電流値未満のグランド電流を流す小電流用グランドの、２つのグランドに分割して構成することもできる。

また、本実施形態では、ＳＧ１４０にセンサ１１８のグランドを接続し、ＬＧ１４２に処理回路１１２と電源回路１１４をまとめて接続し、ＰＧ１４４に駆動回路１１６と制御対象１２０のグランドをまとめて接続する構成としたが、各電気部品のグランドのまとめ方は、これに限らず、例えば、制御回路を機能面から回路ブロックに分割し、回路ブロックごとにグランドパターンを設ける構成としてもよい。

このような回路ブロック分割の一例として、例えば、ＳＧ１４０には、センサ１１８のほか、センサ１１８の出力電圧を増幅するためのプリアンプ（不図示）を備えた、いわゆるフロントエンド回路（不図示）を含む、アナログ信号処理のための回路ブロックのグランドを接続するものとすることができる。また、ＬＧ１４２には、処理回路１１２のほか、他装置とのデータ通信を行う通信回路を含むデジタル信号処理のための回路ブロックのグランドを接続するものとし、ＰＧ１４４には、制御対象１２０と駆動回路１１６のほか、大きなグランド電流が頻繁に変化するスイッチングレギュレータ等の電気部品を含んだ電力回路のための回路ブロックのグランドを接続することができる。

あるいは、複数の異なる所定の電流範囲を定め、当該電流範囲毎にそれぞれグランドパターンを設ける構成とし、各グランドパターンには、当該グランドパターンに対応する電流範囲のグランド電流を持つ電気部品をまとめて接続するものとしてもよい。

また、本実施形態では、回路基板１００の各グランド、ＳＧ１４０、ＬＧ１４２、ＰＧ１４４が筐体１０４及び車体１１０を介してＡＣＧ１２２のグランド端子に接続されるものとしたが、これに限らず、筐体１０４とＡＣＧ１２２のグランド端子との間はワイヤ線で接続されていてもよい。この場合には、大きなグランド電流が流れることによる当該ワイヤ線での電圧降下が制御動作に与える影響を回避することができる。さらに、ＳＧ１４０、ＬＧ１４２、ＰＧ１４４は、回路基板１００の外部で接続されればよく、当該接続のための導電体は、筐体１０４に限らず、筐体１０４とは別個の導電体であって筐体１０４に対し電気的に接続された導電体により構成されるものとしてもよい。

また、本実施形態では、回路基板１００の一つの辺に沿って複数のグランドパターンを並べて配置する構成としたが、これに限らず、回路基板の異なる辺にそれぞれグランドパターンを配置することもできる。さらに、複数のグランドパターンは、必ずしも回路基板の外周部あるいは辺に沿って配置する必要はなく、回路基板に接続されるグランド電流経路に沿って、流出電流の少ない順に上流から下流に沿って配置される限りにおいて、回路基板上の任意の位置に配置することができる。

図４は、図１に示す制御装置１０の変形例を示す図である。本変形例では、回路基板の３つの辺にグランドパターンが設けられている。
すなわち、図４に示す制御装置４０の回路基板４００は、図１における回路基板１００と同様の構成を有するが、回路基板１００の一つの辺に沿って配置されたＳＧ１４０、ＬＧ１４２、ＰＧ１４４に代えて、回路基板４００の３つの辺にそれぞれ設けられたＳＧ４４０、ＬＧ４４２、及びＰＧ４４４を備える。本構成では、流出電流の最も少ないＳＧ４４０からの電流は、位置Ｓ２から筐体１０４へ流れ出て、筐体１０４の図示右側の外周部を通ってフランジ１０８から車体１１０へ流れ、車体１１０を介してＡＣＧ１２２に流入して、グランド電流の電流経路を構成する。

ＳＧ４４０の次に流出電流の少ないＬＧ４４２からの電流は、上記電流経路に沿って位置Ｓ２の下流である位置Ｌ２において筐体１０４へ流れ、流出電流の最も多いＰＧ４４４からの電流は、上記電流経路に沿って最も下流である位置Ｐ２において筐体１０４へ流れ出す。これにより、ＳＧ４４０、ＬＧ４４２、及びＰＧ４４４は、図１に示す回路基板１００と同様に、複数のグランドパターンが、グランド電流の経路に沿って、流出電流の少ない順に上流から下流に向かって配置されることとなる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
図５は、本発明の第２の実施形態に係る制御装置の構成を示す図である。なお、本実施形態において、第１の実施形態に係る制御装置１０（図１）と同一の構成要素については、制御装置１０において用いた符号と同一の符号を用いるものとする。また、本実施形態に置いて、制御装置１０において用いた符号と同一の符号により示される構成要素については、制御装置１０について上述した説明を援用する。

本制御装置５０は、第１の実施形態における回路基板１００及び筐体１０４に代わり、回路基板１００と異なるグランドパターンを有する回路基板５００と、図示右方向に一つのフランジ５０６を有する筐体５０４を備える。ここで、筐体５０４及びフランジ５０６は、筐体１００及びフランジ１０６、１０８と同様に、金属（例えば、アルミニウム）等の導電性材料により構成されている。

また、制御装置５０は、センサ１１８に追加して、センサ５１８が、ケーブル５２４及びコネクタ５０２を介して回路基板５００上の電気回路に接続されている。ここで、ケーブル５２４は、電源回路１１４の出力電圧をセンサ５１８に供給する電源線５３０と、センサ５１８にグランド電位を与えるグランド線５３２と、センサ５１８からの電気信号（センサ信号）を伝送する信号線５３４と、を有している。

回路基板５００上には、第１の実施形態に係る回路基板１００上に搭載されている処理回路１１２に代えて、二つのセンサ１１８及び５１８からのセンサ信号に基づき制御対象１２０の制御量を決定する処理回路５１２が搭載されている。

また、回路基板５００の、図示上側の外周部には、グランドパターンである第１の信号用グランド（ＳＧ）５４０ａと第１の論理回路用グランド（ＬＧ）５４２ａとが設けられ、図示下側の外周部には、グランドパターンである第１の信号用グランド（ＳＧ）５４０ａと第１の論理回路用グランド（ＬＧ）５４２ａとが設けられている。また、回路基板５００の、図示右側の外周部には、グランドパターンである電力用グランド（ＰＧ）５４４も設けられている。

ＳＧ５４２ａは、回路基板５００上に形成された配線ライン５５０ａを介して、センサ１１８からのグランド線１３２が接続されており、信号線１３４が伝送するセンサ信号の電圧レベルの基準を与える。

ＳＧ５４２ｂは、回路基板５００上に形成された配線ライン５５０ｂを介して、センサ５１８からのグランド線５３２が接続されており、信号線５３４が伝送するセンサ信号の電圧レベルの基準を与える。

ＬＧ５４２ａは、回路基板５００上に形成された配線ライン５５２を介して処理回路５１２のグランドが接続されており、処理回路５１２の内部動作及び出力信号に用いられるパルス信号の電圧レベル、すなわち当該パルス信号の論理値を規定する基準を与える。

ＬＧ５４２ｂは、回路基板５００上に形成された配線ライン５５４を介して、センサ１１８、５１８、及び処理回路５１２に電源を供給する電源回路１１４のグランドが接続されている。

また、ＰＧ５４４は、回路基板５００上に形成された配線ライン５５６ａを介して、ケーブル１２６内のグランド線１３８が接続されており、制御対象１２０からＡＣＧ１２２のグランド端子に向かって還流する電流の、復路の一部を構成する。また、ＰＧ５４４には、配線ライン５５６ｂを介して駆動回路１１６のグランドも接続されている。

回路基板５００の裏面の、ＳＧ５４０ａ、ＳＧ５４０ｂ、ＬＧ５４２ａ、ＬＧ５４２ｂ、及びＰＧ５４４に対向する領域には、それぞれ、ＳＧ５４０ａ、ＳＧ５４０ｂ、ＬＧ５４２ａ、ＬＧ５４２ｂ、及びＰＧ５４４と同形状を持つ回路パターン（裏面パターン）（不図示）が設けられている。また、ＳＧ５４０ａ、ＳＧ５４０ｂ、ＬＧ５４２ａ、ＬＧ５４２ｂ、及びＰＧ５４４のそれぞれと、対応する各裏面パターンとの間は、それぞれビアホール等により電気的に接続されている。

各裏面パターンは、回路基板５００がネジ等により筐体５０４に固定されたときに、筐体５０４と接触するよう構成されており、この接触により、ＳＧ５４０ａ、ＳＧ５４０ｂ、ＬＧ５４２ａ、ＬＧ５４２ｂ、及びＰＧ５４４は、それぞれ筐体５０４に電気的に接続される。なお、ＳＧ５４０ａ、ＳＧ５４０ｂ、ＬＧ５４２ａ、ＬＧ５４２ｂ、及びＰＧ５４４と、筐体５０４との間の電気的接続は、裏面パターンを介して行う方法には限られず、例えば、各グランドパターン（即ち、ＳＧ５４０ａ、ＳＧ５４０ｂ、ＬＧ５４２ａ、ＬＧ５４２ｂ、及びＰＧ５４４）と筐体５０４との間に、それぞれ個別の導体を半田付けして行うものとしてもよい。

図５の筐体５０４上に描いた黒い太線矢印は、ＳＧ５４０ａ、ＳＧ５４０ｂ、ＬＧ５４２ａ、ＬＧ５４２ｂ、及びＰＧ５４４から筐体５０４へ流れ出るグランド電流の経路を模式的に示したものである。このように、制御装置５０では、第１の信号用グランドであるＳＧ５４０ａからのグランド電流と第１の論理回路用グランドであるＬＧ５４２ａからのグランド電流とが合流する第１の電流経路５９０ａと、第２の信号用グランドであるＳＧ５４０ｂからのグランド電流と第２の論理回路用グランドであるＬＧ５４２ｂからのグランド電流とが合流する第２の電流経路５９０ｂとが生じ、第１の電流経路５９０ａと第２の電流経路５９０ｂとの合流点付近においてＰＧ５４４からのグランド電流も合流される。

すなわち、第１の電流経路５９０ａについて見れば、ＰＧ５４４が最も下流となるように、ＳＧ５４０ａ、ＬＧ５４２ａ、及びＰＧ５４４が、流出電流の少ない順に上流から下流に向かって配置されている。このため、グランド電流による電圧降下は、ＰＧ５４４より下流の筐体５０４及び車体１１０においてのみ発生するので、ＳＧ５４０ａ、ＬＧ５４２ａ、及びＰＧ５４４の間に電位差は生じない。

同様に、第２の電流経路５９０ｂについて見れば、ＰＧ５４４が最も下流となるように、ＳＧ５４０ｂ、ＬＧ５４２ｂ、及びＰＧ５４４が、流出電流の少ない順に上流から下流に向かって配置されている。このため、グランド電流による電圧降下は、ＰＧ５４４より下流の筐体５０４及び車体１１０においてのみ発生するので、ＳＧ５４０ｂ、ＬＧ５４２ｂ、及びＰＧ５４４の間に電位差はほとんど生じない。

その結果、各グランドパターン（すなわち、ＳＧ５４０ａ、ＳＧ５４０ｂ、ＬＧ５４２ａ、ＬＧ５４２ｂ、及びＰＧ５４４）における互いの電位差はほぼゼロとなり、第１の実施形態に係る制御装置１０と同様に、制御動作の異常や制御誤差の発生が回避される。また、第１の実施形態に係る制御装置１０と同様に、各グランドパターンは、筐体５０４において互いに電気的に接続されるので回路基板５００上で接続されている必要はなく、かつ、回路基板５００上（例えば、その外周部）に広く設けることができるので、回路基板５００上におけるレイアウトの自由度が向上すると共に、放熱特性も向上する。

以上説明したように、第１および第２の実施形態に係る制御装置は、その内部に備える回路基板が、複数のグランドパターンを備えており、当該複数のグランドパターンは、回路基板外部の導体（本実施形態では筐体）を介して電気的に接続される。これにより、複数のグランドパターンを回路基板上で接続する必要がなくなり、回路基板上における電気部品と回路パターンのレイアウトの自由度が向上する。

また、本制御装置では、上記複数のグランドパターンは、少なくとも流出電流の最も大きいグランドパターンが、グランド電流経路の最も下流において当該電流経路と合流するように配される。これにより、本制御装置は、制御対象などの大電力を要する負荷からの大きなグランド電流によりグランド電流経路に電圧降下が生じる場合にも、回路基板内のグランドパターン間の電位差を一定に維持することができ、制御動作の異常や制御誤差の発生を回避することができる。

１０、４０、５０・・・制御装置、１００、４００、５００・・・回路基板、１０２、５０２・・・コネクタ、１０４、５０４・・・筐体、１１０・・・車体、１１２、５１２・・・処理回路、１１４・・・電源回路、１１６・・・駆動回路、１１８、５１８・・・センサ、１２０・・・制御対象、１２２・・・ＡＣＧ、１４０、４４０、５４０ａ、５４０ｂ・・・信号用グランド（ＳＧ）、１４２、４４２、５４２ａ、５４２ｂ・・・論理回路用グランド（ＬＧ）、１４４、４４４、５４４・・・電力用グランド（ＰＧ）

Claims

制御回路を構成する電気部品が搭載された回路基板と、電源のグランドに直接又は間接に電気的に接続される筐体とを備え、センサからの信号を受信して制御対象を制御する制御装置であって、
前記回路基板は、前記電気部品のグランドが接続された複数のグランドパターンを有し、
前記複数のグランドパターンは、前記回路基板上では互いに電気的に分離しており、前記筐体を介して互いに電気的に接続され、
前記電源に向かって流れ出すグランド電流が最も大きい前記グランドパターンは、当該グランドパターンと、前記複数のグランドパターンから前記筐体を介して前記電源に至るグランド電流の電流経路との接続位置が、当該電流経路に沿って前記複数のグランドパターンのうちで最も下流となるように配される、
制御装置。
請求項１に記載された制御装置において、
前記グランドパターンは、前記各グランドパターンと前記電流経路との接続位置が、前記グランドパターンから前記電源に向かって流れ出すグランド電流の小さい順に、前記電流経路に沿って上流から下流に向かって配される、
制御装置。
請求項１または２に記載された制御装置において、
前記制御対象のグランドは、最も下流の位置において電流経路に接続される前記グランドパターンに接続され、
前記センサのグランドは、最も下流の位置において電流経路に接続される前記グランドパターン以外のグランドパターンに接続される、
制御装置。
請求項１ないし３のいずれか一項に記載された制御装置において、
デジタル信号を処理する処理回路を備え、
前記処理回路のグランドが接続された前記グランドパターンは、当該グランドパターンと前記電流経路との接続位置が、前記センサのグランドが接続されたグランドパターンよりも下流に、かつ、前記制御対象のグランドが接続されたグランドパターンよりも上流となるように配される、
制御装置。
前記制御装置は、車両に搭載されて当該車両の動作を制御するものである、
請求項１ないし４のいずれか一項に記載の制御装置。