JP7315505B2 - 誘導性負荷の制御回路 - Google Patents

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Description

本発明は、誘導性負荷の制御回路に関するものである。
誘導性負荷を有するＤＣ－ＤＣコンバータにおいては、スイッチング素子の発熱量を検出して、装置全体の温度が一定の温度範囲となるように制御することのできるものが開示されている（例えば、特許文献１）。
特開２００９－８９４５１号公報
しかしながら、特許文献１に示されるものでは、電子部品の性能向上及び小型化が進んでいる昨今において過電流検出抵抗とＰＴＣサーミスタを近接させるグランドパターンには様々な熱源の熱が伝導される虞が大きく、結果として誘導性負荷の温度を正確に検出することができない。このため、例えば、誘導性負荷が電磁ブレーキ、電磁クラッチ等の電気的になされる磁気制御によって動力制御を行う要素である場合には、簡素な構成であって、誘導性負荷の温度を正確に検知することができる誘導性負荷の制御回路が求められている。
本実施の形態の一観点によれば、制御部及び駆動回路が設けられた回路基板と、前記回路基板と離れた位置に設けられており、前記回路基板の駆動回路に接続されている誘導性負荷と、前記駆動回路に設けられた、前記誘導性負荷に直列に接続された検出抵抗群と、温度測定素子と、を有し、前記検出抵抗群には、複数の抵抗が設けられており、前記温度測定素子は前記複数の抵抗の間に設けられており、前記制御部及び前記駆動回路には、電源より電力が供給されており、前記駆動回路は、前記電源より供給された電力を制御し、前記誘導性負荷に印加するものであって、前記回路基板には、前記制御部に接続される信号側ＧＮＤと、前記駆動回路の前記検出抵抗群に接続される電力側ＧＮＤとを有しており、前記温度測定素子は、前記電力側ＧＮＤに接続されていることを特徴とする。
開示の誘導性負荷の制御回路によれば、簡素な構成であって、誘導性負荷の温度を正確に検知することができる。
誘導性負荷が電磁ブレーキの場合の誘導性負荷の制御回路の構成図 本実施の形態における誘導性負荷の制御回路の構成図 本実施の形態における誘導性負荷の制御回路のブロック図 本実施の形態における誘導性負荷の制御回路の説明図 本実施の形態における誘導性負荷の制御回路の変形例の説明図
実施するための形態について、以下に説明する。尚、同じ部材等については、同一の符号を付して説明を省略する。
最初に、図１に基づき誘導性負荷が電磁ブレーキの場合の誘導性負荷の制御回路について説明する。
図１に示される誘導性負荷の制御回路は、誘導性負荷である電磁ブレーキ１００に流れる電流を制御する。この時、本実施形態においては誘導性負荷である電磁ブレーキ１００は自動車等の車両に搭載されたことを想定した記載としているが、これに限られるものではない。この誘導性負荷の制御回路は、第１のＦＥＴ（Field Effect Transistor：電界効果トランジスタ）２１、第２のＦＥＴ２２、検出抵抗群３０、制御部４０等を有している。この誘導性負荷の制御回路では、第１のＦＥＴ２１、第２のＦＥＴ２２、検出抵抗群３０により駆動回路１０が形成される。第１のＦＥＴ２１、第２のＦＥＴ２２、検出抵抗群３０、制御部４０等は回路基板６０に設けられており、回路基板６０は、筐体７０内に入れられている。自動車等の車両においては、電磁ブレーキ１００は、筐体７０の外であって、誘導性負荷の制御回路の筐体７０から離れた位置に取り付けられている。また、回路基板６０に電力を供給するための電源８０は、一般には、自動車等の車両のバッテリなどの筐体外部の電源が用いられ、本実施形態においても、筐体７０の外に設けられている。
第１のＦＥＴ２１のドレインはバッテリー電圧ＶＢに接続されており、ソースは電磁ブレーキ１００の一方に接続されている。第２のＦＥＴ２２のドレインは電磁ブレーキ１００の他方に接続されており、更に、ソースは検出抵抗群３０の一方の端部に接続されている。検出抵抗群３０の他方の端部は、電力側ＧＮＤ（Ｐ－ＧＮＤ：Ｐｏｗｅｒ－ＧＮＤ）に接続されている。従って、電磁ブレーキ１００は、回路基板６０の駆動回路１０と電気的に接続されている。
検出抵抗群３０は、例えば、図１に示されるように、第１の抵抗群３１、第２の抵抗群３２、第３の抵抗群３３、第４の抵抗群３４が並列に接続されている。また、第１の抵抗群３１、第２の抵抗群３２、第３の抵抗群３３、第４の抵抗群３４の各々には、第１の抵抗３０ａと第２の抵抗３０ｂが直列に接続されている。第１の抵抗群３１、第２の抵抗群３２、第３の抵抗群３３、第４の抵抗群３４の各々においては、第１の抵抗３０ａが第２のＦＥＴ２２のソース側に接続されており、第２の抵抗３０ｂがＰ－ＧＮＤ１５１に接続されている。
第１のＦＥＴ２１のゲート及び第２のＦＥＴ２２のゲートは、制御部４０に接続されており、第２のＦＥＴ２２のソースと検出抵抗群３０の一方の端部との接続部５０は、制御部４０に接続されている。
図１に示される誘導性負荷の制御回路では、制御部４０における制御により、第１のＦＥＴ２１のゲート及び第２のＦＥＴ２２のゲートに印加される電圧を制御し、第１のＦＥＴ２１及び第２のＦＥＴ２２をオンにすることにより、電磁ブレーキ１００に電流が流れる。電磁ブレーキ１００に流れる電流は、検出抵抗群３０にも流れるため、第２のＦＥＴ２２のソースと検出抵抗群３０の一方の端部との接続部５０における電圧を測定することにより、制御部４０において、検出抵抗群３０及び電磁ブレーキ１００に流れる電流を算出し、電流をモニタすることができる。制御部４０では、電磁ブレーキ１００に、閾値を超える過電流が流れている場合には、制御部４０内の保護回路が機能し、第１のＦＥＴ２１のゲート及び第２のＦＥＴ２２のゲートに印加される電圧を制御し、電磁ブレーキ１００に流れる電流を止めることができる。
しかしながら、電磁ブレーキ１００は抵抗が低いため、電流制御が異常である場合、過電流が発生しやすい回路となっている。例えば、電磁ブレーキ１００に、過電流閾値以下の電流が長時間流れ続けた場合、電磁ブレーキ１００が異常発熱し、発火等する場合がある。このため、電磁ブレーキ１００の温度を直接測定する方法が考えられる。しかしながら、電磁ブレーキ１００と、誘導性負荷の制御回路とは離れているため、電磁ブレーキ１００の近くにサーミスタを取り付けた場合、サーミスタと誘導性負荷の制御回路とを接続するための長い配線やコネクタ等が必要となり、構造が複雑化しノイズ耐性も低下する。
また、電磁ブレーキ１００に直列にヒューズを設置する方法も考えられる。この場合、ヒューズが高温となるとヒューズが切れて流れる電流が遮断されるが、復帰する際にはヒューズを交換する必要があり、時間と手間を要する。
また、電磁ブレーキ１００は、例えば、銅のコイルにより形成されているため、温度が上昇すると抵抗が変化することから、電磁ブレーキ１００の抵抗を測定する方法も考えられる。しかしながら、この方法では、別途、抵抗を測定する装置が必要となる。
このため、簡素な構成であって、電磁ブレーキ１００の温度を検知し、発火等を防ぐことのできる誘導性負荷の制御回路が求められている。
（誘導性負荷の制御回路）
ところで、図１に示される誘導性負荷の制御回路では、電磁ブレーキ１００に流れる電流は、検出抵抗群３０にも流れる。このため、電磁ブレーキ１００に流れる電流により電磁ブレーキ１００が発熱する際には、検出抵抗群３０の方が電磁ブレーキ１００よりも早く温度上昇する。これは電磁ブレーキはコイルと磁性体ヨークで形成されており、基板上のチップ抵抗に比べ熱容量が大きいため温度変化に要する時間が長い。そのため、必ず検出抵抗の方が電磁ブレーキよりも早く温度上昇するためである。尚、検出抵抗群３０における合成抵抗の抵抗値は、０．０１Ω以上、１Ω以下である。このような抵抗値の範囲にすることで、検出抵抗群３０の発熱を周囲の部品の定格温度を超えない程度に調節できる。また、電磁ブレーキ回路のシステム抵抗を小さく設計できるため、電磁ブレーキの応答性も併せて確保できる。
本実施の形態における誘導性負荷の制御回路は、検出抵抗群３０における温度を測定することにより、電磁ブレーキ１００の温度を予測し、検出抵抗群３０における温度が所定の閾値を超えた場合には、電磁ブレーキ１００に流れる電流を止める制御をする。これにより、電磁ブレーキ１００が発火等することを防ぐことができる。
次に、図２及び図３に基づき本実施の形態における誘導性負荷の制御回路について説明する。本実施の形態における誘導性負荷の制御回路は、誘導性負荷である電磁ブレーキ１００に流れる電流を制御する。
本実施の形態における誘導性負荷の制御回路は、第１のＦＥＴ２１、第２のＦＥＴ２２、検出抵抗群３０、サーミスタ１３０、制御部４０等を有している。第１のＦＥＴ２１、第２のＦＥＴ２２、検出抵抗群３０、サーミスタ１３０により駆動回路１１０が形成される。第１のＦＥＴ２１、第２のＦＥＴ２２、検出抵抗群３０、サーミスタ１３０、制御部４０等は回路基板１６０に設けられており、回路基板１６０は、筐体１７０内に入れられている。自動車等の車両においては、電磁ブレーキ１００は、筐体１７０の外であって、誘導性負荷の制御回路の筐体１７０より離れた位置に取り付けられている。また、回路基板１６０に電力を供給するための電源８０は、一般には、自動車等の車両のバッテリが用いられるため、筐体１７０の外に設けられている。本願においては、サーミスタ１３０を温度測定素子と記載する場合がある。
図３は、本実施の形態における誘導性負荷の制御回路のブロック図である。図３に示されるように、電源８０と回路基板１６０、回路基板１６０と電磁ブレーキ１００は、コネクタを介して接続されている。具体的には、電源８０であるバッテリにはコネクタ８１、８２が設けられており、回路基板１６０に設けられたコネクタ１６１、１６２と、配線１８１、１８２により接続されており、電源８０より回路基板１６０に電力が供給される。回路基板１６０より離れた位置に設けられた電磁ブレーキ１００には、コネクタ１０１、１０２が設けられており、回路基板１６０の駆動回路１１０に接続された配線１９１、１９２が接続されている。従って、電磁ブレーキ１００は、回路基板１６０の駆動回路１１０と電気的に接続されており、電源８０は、回路基板１６０に設けられた配線と電気的に接続されている。
本実施の形態における誘導性負荷の制御回路では、回路基板１６０には、電源側ＧＮＤ（Ｐ－ＧＮＤ１５１：Ｐｏｗｅｒ－ＧＮＤ）と、信号側ＧＮＤ（Ｓ－ＧＮＤ１５２：Ｓｉｇｎａｌ－ＧＮＤ）とが設けられている。回路基板１６０には、電源８０のＧＮＤが接続されており、回路基板１６０において、Ｐ－ＧＮＤ１５１、Ｓ－ＧＮＤ１５２とに分岐されている。Ｓ－ＧＮＤ１５２には制御部４０が接続されており、図２に示すように、Ｐ－ＧＮＤ１５１には検出抵抗群３０が接続されている。
検出抵抗群３０は、例えば、図２に示されるように、第１の抵抗群３１、第２の抵抗群３２、第３の抵抗群３３、第４の抵抗群３４が並列に接続されている。温度を測定するためのサーミスタ１３０は、第２の抵抗群３２と第３の抵抗群３３との間に設けられている。
図４は、本実施の形態における誘導性負荷の制御回路において、検出抵抗群３０が設けられている部分の拡大図である。回路基板１６０の表面には、電磁ブレーキ１００から引き出されて第２のＦＥＴ２２のソースに接続されている電磁ブレーキ側配線１５４、Ｐ－ＧＮＤ１５１が銅の配線パターンとして形成されている。
検出抵抗群３０は、一方の端部が電磁ブレーキ側配線１５４に接続されており、他方の端部がＰ－ＧＮＤ１５１に接続されている。より具体的には、検出抵抗群３０における第１の抵抗群３１、第２の抵抗群３２、第３の抵抗群３３、第４の抵抗群３４の各々は、電磁ブレーキ側配線１５４とＰ－ＧＮＤ１５１との間に設けられている。第１の抵抗群３１、第２の抵抗群３２、第３の抵抗群３３、第４の抵抗群３４の各々は、チップ部品である第１の抵抗３０ａと第２の抵抗３０ｂとが、接続配線１５３により直列に接続されている。よって、第１の抵抗３０ａの一方の端子は電磁ブレーキ側配線１５４に接続されており、第１の抵抗３０ａの他方の端子と第２の抵抗３０ｂの一方の端子とは接続配線１５３により接続されており、第２の抵抗３０ｂの他方の端子はＰ－ＧＮＤ１５１に接続されている。
図４に示す場合では、チップ部品であるサーミスタ１３０は、Ｐ－ＧＮＤ１５１の上に搭載されており、検出抵抗群３０において第２の抵抗群３２の第２の抵抗３０ｂと、第３の抵抗群３３の第２の抵抗３０ｂとの間に設けられている。
検出抵抗群３０の第１の抵抗３０ａ及び第２の抵抗３０ｂは、長時間所定の値以上の電流を流すと温度が上昇するが、第１の抵抗３０ａ及び第２の抵抗３０ｂにおいて生じた熱は、熱伝導率の高い銅により形成されている電磁ブレーキ側配線１５４やＰ－ＧＮＤ１５１に伝達される。サーミスタ１３０はＧＮＤに接続して用いられるため、第１の抵抗３０ａ及び第２の抵抗３０ｂにおいて生じた熱が伝達されるＰ－ＧＮＤ１５１の上に、サーミスタ１３０を取り付けることにより、発生した熱による温度変化を早期に正確に検出することができる。従って、検出抵抗群３０による発熱を確実に認識するために、検出抵抗群３０を形成している複数の抵抗の間に設けられていることが好ましい。
また、本実施の形態は、回路基板１６０には、Ｐ－ＧＮＤ１５１とＳ－ＧＮＤ１５２が形成されているが、サーミスタ１３０はＰ－ＧＮＤ１５１に接続されている。制御部４０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等であり、動作させると発熱する。Ｐ－ＧＮＤ１５１においてサーミスタ１３０が接続されている部分と、Ｓ－ＧＮＤ１５２の制御部４０が接続されている部分とは離れているため、制御部４０において生じた熱が、サーミスタ１３０により検出される温度に影響を与えることはない。そのため、検出抵抗群３０による発熱をより精度よく認識することができる。
本実施の形態においては、検出抵抗群３０は、４つの抵抗群、即ち、第１の抵抗群３１、第２の抵抗群３２、第３の抵抗群３３、第４の抵抗群３４が設けられている場合について説明したが、抵抗群は２以上であればよい。また、サーミスタ１３０は、検出抵抗群３０の近傍に設けられていてもよいが、検出抵抗群３０における複数の抵抗群の間に設けられていることが好ましい。また、第１の抵抗群３１、第２の抵抗群３２、第３の抵抗群３３、第４の抵抗群３４は、２つの抵抗が直列に接続されている場合について説明したが、１つの抵抗により形成されているものであってもよい。
（変形例）
本実施の形態における誘導性負荷の制御回路では、図５に示されるように、サーミスタ１３０と、サーミスタ１３０に最も近い第２の抵抗３０ｂとの間隔Ｌａが、隣接する第２の抵抗３０ｂの間隔Ｌｂよりも短くなるように形成してもよい。即ち、サーミスタ１３０と、サーミスタ１３０に最も近い第２の抵抗群３２の第２の抵抗３０ｂとの間隔Ｌａが、隣接する第１の抵抗群３１の第２の抵抗３０ｂと第２の抵抗群３２の第２の抵抗３０ｂとの間隔Ｌｂよりも狭くなるように形成してもよい。第２の抵抗３０ｂの間隔を広げることにより、放熱されやすくなるため、サーミスタ１３０が設けられている部分の温度を他の部分よりも高くすることができる。例えば、間隔Ｌｂは、間隔Ｌａの２倍となるように形成してもよい。この変形例は、検出抵抗群３０における抵抗群が３以上の場合に適応される。
また、サーミスタ１３０に最も近い第２の抵抗群３２の第１の抵抗３０ａと第２の抵抗３０ｂとの間隔Ｌｃは、第２の抵抗群３２の隣りの第１の抵抗群３１の第１の抵抗３０ａと第２の抵抗３０ｂとの間隔Ｌｄよりも狭くしてもよい。この場合も、サーミスタ１３０が設けられている部分の温度を他の部分よりも高くすることができる。例えば、間隔Ｌｄは、間隔Ｌｃの２倍となるように形成してもよい。
抵抗３０ａと抵抗３０ｂ(検出抵抗群３０)に電流を流したことで発生する熱は接続配線１５３、電磁ブレーキ側配線１５４とＰ－ＧＮＤに伝導し放熱される。そのため、発熱源である各抵抗の距離が離れるほど、放熱特性が向上し素子温度と接続配線１５３、電磁ブレーキ側配線１５４とＰ－ＧＮＤは低下し放熱対策として有効である。その一方で抵抗３０ａと抵抗３０ｂに過電流が流れた際には発熱により回路部品が故障する前に異常発熱を検出する必要があり、サーミスタ１３０はなるべく熱源である抵抗３０ａと抵抗３０ｂの近傍に配置することが望ましい。これらの要件を鑑みて、間隔Ｌａを間隔Ｌｂに対して、間隔Ｌｃを間隔Ｌｄに対して短くすることで、放熱対策とともにサーミスタ１３０で異常発熱に対する感度、応答性を最大限確保できる。
以上、実施の形態について詳述したが、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。
１０ 駆動回路
２１ 第１のＦＥＴ
２２ 第２のＦＥＴ
３０ 検出抵抗群
３０ａ 第１の抵抗
３０ｂ 第２の抵抗
３１ 第１の抵抗群
３２ 第２の抵抗群
３３ 第３の抵抗群
３４ 第４の抵抗群
４０ 制御部
５０ 接続部
６０ 回路基板
７０ 筐体
８０ 電源
８１、８２ コネクタ
１００ 電磁ブレーキ
１０１、１０２ コネクタ
１１０ 駆動回路
１３０ サーミスタ
１５１ Ｐ－ＧＮＤ
１５２ Ｓ－ＧＮＤ
１５３ 接続配線
１５４ 電磁ブレーキ側配線
１６０ 回路基板
１６１、１６２ コネクタ
１７０ 筐体
１８１、１８２、１９１、１９２ 配線

Claims (6)

  1. 制御部及び駆動回路が設けられた回路基板と、
    前記回路基板と離れた位置に設けられており、前記回路基板の駆動回路に接続されている誘導性負荷と、
    前記駆動回路に設けられた、前記誘導性負荷に直列に接続された検出抵抗群と、
    温度測定素子と、
    を有し、
    前記検出抵抗群には、複数の抵抗が設けられており、前記温度測定素子は前記複数の抵抗の間に設けられており、
    前記制御部及び前記駆動回路には、電源より電力が供給されており、
    前記駆動回路は、前記電源より供給された電力を制御し、前記誘導性負荷に印加するものであって、
    前記回路基板には、前記制御部に接続される信号側ＧＮＤと、前記駆動回路の前記検出抵抗群に接続される電力側ＧＮＤとを有しており、
    前記温度測定素子は、前記電力側ＧＮＤに接続されていることを特徴とする誘導性負荷の制御回路。
  2. 前記検出抵抗群は、並列に接続された複数の抵抗群を有し、
    前記温度測定素子は、複数の前記抵抗群の間に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の誘導性負荷の制御回路。
  3. 複数の前記抵抗群は、それぞれ複数の抵抗が直列に接続されていることを特徴とする請求項２に記載の誘導性負荷の制御回路。
  4. 前記検出抵抗群は、並列に接続された３以上の前記抵抗群を有し、
    前記温度測定素子と、前記温度測定素子に最も近い前記抵抗群の抵抗までの間隔は、隣り合う前記抵抗群の抵抗の間隔よりも短いことを特徴とする請求項２または３に記載の誘導性負荷の制御回路。
  5. 前記検出抵抗群における抵抗値は、０．０１Ω以上、１Ω以下であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の誘導性負荷の制御回路。
  6. 前記温度測定素子は、サーミスタであることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の誘導性負荷の制御回路。
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