JP7435512B2 - 車載用保護装置 - Google Patents

Description

本開示は、車載用保護装置に関するものである。

特許文献１には、独立した複数のアースラインを使用する制御回路及び出力回路を備える自動車用電装機器が開示されている。特許文献１に開示される自動車用電装機器は、比較的大きい電流を扱う出力回路に対しては、アースとしてパワー系グラウンド線を使用し、制御回路のアース端子はシグナル系グラウンド線と接続されている。

特開２０１０－１３２０７０号公報

車両内でパワー系のグラウンド（パワーグラウンド）を確保する場合、例えば、パワーグラウンドとなるべき配線が所定のアースポイント（例えば、ボディの所定部位）に対してボルト等の接続部材によって接続される構成が採用され得る。しかし、このような構成のものでは、何らかの原因によってパワーグラウンドがアースポイントから外れてしまった場合、パワーグラウンドにおいて突発的な電位変動が生じる懸念がある。

本開示は、パワーグラウンドで生じる突発的な電位変動から回路を保護し得る技術を提供する。

本開示の一つである車載用保護装置は、
車両内のグラウンド部に電気的に接続される導電路であるパワーグラウンド線と、前記パワーグラウンド線とは異なる導電路であるシグナルグラウンド線と、を備える車載システムに用いられる車載用保護装置であって、
電源に基づく電圧が自身のアノード側に印加されるダイオード部と、
一端に分岐部が設けられ、前記ダイオード部のカソードと前記分岐部と間の経路をなす中間導電路と、
前記分岐部と前記パワーグラウンド線との間に設けられる第１ツェナーダイオード部と、
前記分岐部と前記シグナルグラウンド線との間に設けられる第２ツェナーダイオード部と、
を備え、
前記第１ツェナーダイオード部は、自身のカソードが前記分岐部に電気的に接続され、自身のアノードが前記パワーグラウンド線に電気的に接続され、
前記第２ツェナーダイオード部は、自身のカソードが前記分岐部に電気的に接続され、自身のアノードが前記シグナルグラウンド線に電気的に接続される。
を有する。

本開示に係る技術は、パワーグラウンドで生じる突発的な電位変動から回路を保護し得る。

図１は、第１実施形態の車載用保護装置を含む車載システムの一例を概略的に示す回路図である。 図２は、パワーグラウンド線の端子が外れた場合の動作の一例について説明する説明図である。 図３は、電源にサージ電圧が印加された場合の動作の一例について説明する説明図である。

［本開示の実施形態の説明］
以下では、本開示に係る実施形態が列記されて例示される。

〔１〕 車両内のグラウンド部に電気的に接続される導電路であるパワーグラウンド線と、前記パワーグラウンド線とは異なる導電路であるシグナルグラウンド線と、を備える車載システムに用いられる車載用保護装置であって、
電源に基づく電圧が自身のアノード側に印加されるダイオード部と、
一端に分岐部が設けられ、前記ダイオード部のカソードと前記分岐部と間の経路をなす中間導電路と、
前記分岐部と前記パワーグラウンド線との間に設けられる第１ツェナーダイオード部と、
前記分岐部と前記シグナルグラウンド線との間に設けられる第２ツェナーダイオード部と、
を備え、
前記第１ツェナーダイオード部は、自身のカソードが前記分岐部に電気的に接続され、自身のアノードが前記パワーグラウンド線に電気的に接続され、
前記第２ツェナーダイオード部は、自身のカソードが前記分岐部に電気的に接続され、自身のアノードが前記シグナルグラウンド線に電気的に接続される
車載用保護装置。

上記〔１〕の車載用保護装置は、第２ツェナーダイオード部がブレークダウンする程度にパワーグラウンド線の電位が急上昇した場合には、第１ツェナーダイオード部、分岐部、第２ツェナーダイオード部を介してシグナルグラウンド線へと電流を流すことができる。よって、上記〔１〕の車載用保護装置は、パワーグラウンド線にサージ電圧が印加された場合に、サージ電圧を吸収して回路を保護することができる。また、上記〔１〕の車載用保護装置は、電源にサージ電圧が印加された場合、第１ツェナーダイオード部及び第２ツェナーダイオード部をいずれもブレークダウンさせ、電源からシグナルグラウンド線及びパワーグラウンド線のそれぞれに電流を流すことができる。従って、上記〔１〕の車載用保護装置は、電源に生じるサージ電圧からも回路を保護することができる。しかも、上記〔１〕の車載用保護装置は、電源にサージ電圧が印加された場合に、２つの経路によってサージ電圧を吸収することができるため、冗長性の面で有利である。更に、上記〔１〕の車載用保護装置は、電源が逆接続されることにより各グラウンド線の電位に対して導電路１２の電位が低くなってしまった場合であっても、ダイオード部によって電流の逆流を防ぐことができる。

〔２〕 〔２〕の車載用保護装置は、〔１〕に記載の車載用保護装置であって、更に、前記中間導電路に設けられる第３ツェナーダイオード部を有する。前記第３ツェナーダイオード部は、自身のカソードが前記ダイオード部のカソードに電気的に接続され、自身のアノードが前記分岐部に電気的に接続される。

上記〔２〕の車載用保護装置は、電源電圧にサージ電圧が重畳された場合に、第１ツェナーダイオード部を通る経路によって吸収する場合でも、第２ツェナーダイオード部を通る経路によって吸収する場合でも、第３ツェナーダイオード部が兼用される。従って、上記〔２〕の車載用保護装置は、第１ツェナーダイオード部及び第２ツェナーダイオード部のサイズを抑えやすい構成である。
［本開示の実施形態の詳細］

＜第１実施形態＞
１．車載システムの概要
図１には、車載システム２が示される。図１の車載システム２は、主に、負荷駆動装置２０と負荷４、６と電源３とを備える。図１では、車載用の負荷の一例として負荷４，６が例示されるが、車載システム２にはこれら以外の負荷が設けられていてもよい。

負荷４，６は、車両に搭載される電気部品である。負荷４は、導電路１４を介して供給される電力を受けて動作する。負荷６は、導電路１６を介して供給される電力を受けて動作する。負荷４，６の種類は限定されない。負荷４，６としては、公知の様々な車載部品が採用され得る。負荷４，６は、複数の電気部品を有していてもよく、単一の電気部品であってもよい。負荷４は、例えばインダクタンス成分を有する誘導性負荷であり、例えばモータ等である。図１では、コイルによって負荷４を概念的に例示しているが、負荷４は、コイル以外の電気部品を有していてもよい。

電源３は、例えば、直流電圧を出力する鉛バッテリ等の車載用のバッテリである。電源３は、導電路１２の電位を所定値（例えば、１２Ｖ）に保つ。

導電路１２は、電源３から出力電圧が印加される導電路である。導電路１２は、例えば、電源３を構成する車載用バッテリの正極に電気的に接続される。導電路１２は、電源３とダイオード部４６のアノードとの間を短絡する。導電路１２は、電源３の出力電圧にサージ電圧が重畳された場合に、グラウンド線に向けて電流を流す経路をなす。

本明細書において、電圧とは、特に限定が無い限り、グラウンド電位との電位差を意味する。

導電路１４は、所定の電源電位に維持される導電路である。例えば、導電路１４は、電源３によって所定電位（例えば、１２Ｖ）に保たれる。導電路１４は、スイッチ２６がオン状態のときに負荷４に電流を流す経路として機能する。なお、導電路１４は、電源３とは異なる電源によって直流電圧が印加される導電路であってもよい。

導電路１６は、所定の電源電位に維持される導電路である。例えば、導電路１６は、電源３によって所定電位（例えば、１２Ｖ）に保たれる。導電路１６は、スイッチ２８がオン状態のときに負荷６に電流を流す経路として機能する。なお、導電路１６は、電源３とは異なる電源によって直流電圧が印加される導電路であってもよい。

パワーグラウンド線３１は、車両内のグラウンド部８に電気的に接続される導電路である。グラウンド部８は、車両内においてグラウンド電位（０Ｖ）付近に安定的に保たれる部位であり、例えば、車両のボディである。パワーグラウンド線３１は、パワー系のグラウンドである。パワーグラウンド線３１は、負荷４，６から電流が流れ込む配線である。パワーグラウンド線３１は、グラウンド部８における第１位置８Ａに接続される。パワーグラウンド線３１の端部に設けられた端子３１Ａは、例えば、ねじ、ボルト等の締結部材によってグラウンド部８の第１位置８Ａに固定される。

シグナルグラウンド線３２は、パワーグラウンド線３１とは異なる導電路である。シグナルグラウンド線３２は、グラウンド部８における第２位置８Ｂに接続される。シグナルグラウンド線３２は、制御系のグラウンドである。シグナルグラウンド線３２は、例えば、制御部２２に電気的に接続され、制御部２２のグラウンドとして機能する。シグナルグラウンド線３２の端部に設けられた端子３２Ａは、例えば、ねじ、ボルト等の締結部材によってグラウンド部８の第２位置８Ｂに固定される。シグナルグラウンド線３２は、パワーグラウンド線３１とは独立して電位が変動し得る。逆に、パワーグラウンド線３１は、シグナルグラウンド線３２とは独立して電位が変動し得る。

負荷駆動装置２０は、車載用保護装置４０、制御部２２、駆動回路２４、スイッチ２６，２８などを備える。車載用保護装置４０は、単に保護装置４０とも称される。

スイッチ２６は、導電路１４を通電状態と非通電状態とに切り替えるスイッチである。スイッチ２６がオン状態のときに、電源（導電路１４に電圧を印加する電源）から導電路１４を介して負荷４に電流が流れる。スイッチ２６がオフ状態のときには、上記電源から負荷４へは電流は流れない。

スイッチ２８は、導電路１６を通電状態と非通電状態とに切り替えるスイッチである。スイッチ２８がオン状態のときに、電源（導電路１６に電圧を印加する電源）から導電路１６を介して負荷６に電流が流れる。スイッチ２８がオフ状態のときには、上記電源から負荷６へは電流は流れない。

制御部２２は、情報処理機能、演算機能、制御機能などを有する情報処理装置である。制御部２２は、スイッチ２６のオンオフを制御する。制御部２２は、スイッチ２６をオン状態にするためのオン信号とオフ状態にするためのオフ信号とを出力し得る。制御部２２は、スイッチ２８のオンオフを制御する機能を有していてもよい。

駆動回路２４は、スイッチ２６をオン状態にするために第１電圧信号と、スイッチ２６をオフ状態にするために第２電圧信号と、を切り替え得る回路である。制御部２２がオン信号を出力している場合に駆動回路２４は第１電圧信号を出力し、スイッチ２６がオン状態で維持される。制御部２２がオフ信号を出力している場合に駆動回路２４は第２電圧信号を出力し、スイッチ２６がオフ状態で維持される。

２．車載用保護装置の構成
保護装置４０は、ダイオード部４６と、第１ツェナーダイオード部４１と、第２ツェナーダイオード部４２と、第３ツェナーダイオード部４３と、を備える。

ダイオード部４６は、ＰＮ接合ダイオードなどの整流ダイオードによって構成されている。ダイオード部４６は、電源３から第３ツェナーダイオード部４３に向かう方向に電流を流し、第３ツェナーダイオード部４３から電源３に向かう方向に電流を流さない１以上の整流ダイオードによって構成される。ダイオード部４６は、例えば、整流ダイオードによって構成されている。ダイオード部４６のアノードには、電源３に基づく電圧が印加される。図１の例では、ダイオード部４６のアノードが導電路１２に電気的に接続され、ダイオード部４６のアノードが導電路１２と同電位とされる。

中間導電路５２は、ダイオード部４６のカソードと分岐部５４と間において電流が流れ得る経路をなす導電路である。中間導電路５２の一端には、分岐部５４が設けられる。中間導電路５２の他端は、ダイオード部４６のカソードに電気的に接続される。中間導電路５２は、第１導電路５２Ａと第２導電路５２Ｂとを備える。第１導電路５２Ａは、一方側の端部がダイオード部４６のカソードに電気的に接続され、他方側の端部が第３ツェナーダイオード部４３のカソードに電気的に接続される。第１導電路５２Ａは、ダイオード部４６のカソードと第３ツェナーダイオード部４３のカソードとの間を短絡する。第２導電路５２Ｂは、一方側の端部が第３ツェナーダイオード部４３のアノードに電気的に接続され、他方側の端部に分岐部５４が設けられる。分岐部５４は、電源３側からダイオード部４６を介してグラウンド側に電流が流れる場合に、電流が分岐する起点である。

第３ツェナーダイオード部４３は、中間導電路５２において第１導電路５２Ａと第２導電路５２Ｂとの間に設けられる。第３ツェナーダイオード部４３は、公知のツェナーダイオードによって構成される。第３ツェナーダイオード部４３のカソードは、第１導電路５２Ａを介してダイオード部４６のカソードに電気的に接続される。第３ツェナーダイオード部４３のアノードは分岐部５４に電気的に接続される。第３ツェナーダイオード部４３のアノードは、分岐部５４を介して第１ツェナーダイオード部４１のカソードに短絡し、分岐部５４を介して第２ツェナーダイオード部４２のカソードに短絡する。

第１ツェナーダイオード部４１は、分岐部５４とパワーグラウンド線３１との間に設けられる。第１ツェナーダイオード部４１は、公知のツェナーダイオードによって構成される。第１ツェナーダイオード部４１のカソードは、分岐部５４に電気的に接続され、分岐部５４に短絡する。第１ツェナーダイオード部４１のアノードは、パワーグラウンド線３１に電気的に接続され、パワーグラウンド線３１に短絡する。

第２ツェナーダイオード部４２は、分岐部５４とシグナルグラウンド線３２との間に設けられる。第２ツェナーダイオード部４２は、公知のツェナーダイオードによって構成される。第２ツェナーダイオード部４２のカソードは、分岐部５４に電気的に接続され、分岐部５４に短絡する。第２ツェナーダイオード部４２のアノードは、シグナルグラウンド線３２に電気的に接続され、シグナルグラウンド線３２に短絡する。

３．車載用保護装置による保護動作
保護装置４０は、パワーグラウンド線３１の電位が急上昇することで分岐部５４の電位が急上昇し、第２ツェナーダイオード部４２がブレークダウンした場合、第１ツェナーダイオード部４１、分岐部５４、第２ツェナーダイオード部４２を介してシグナルグラウンド線３２へと電流を流すことができる。よって、保護装置４０は、パワーグラウンド線３１にサージ電圧が印加された場合に、サージ電圧を吸収して回路を保護することができる。

例えば、誘導性負荷である負荷４においてグラウンド部８に向かって電流が流れている状態で端子３１Ａがグラウンド部８から外れて離間した場合、負荷４からグラウンド部８への流れ込みが突然遮断される。このような事態が生じると、パワーグラウンド線３１の電位が急上昇する懸念がある。しかし、このような事態が場合には、保護装置４０は、図２のように電流を流し、負荷４に起因する電流を、シグナルグラウンド線３２を介してグラウンド部８に還流することができる。従って、保護装置４０は、パワーグラウンド線３１に印加されるサージ電圧によって回路が故障することを防ぐことができる。

また、保護装置４０は、電源３に印加されるサージ電圧からも回路を保護することができる。この保護装置４０では、電源３に印加されるサージ電圧によって導電路１２の電位が急上昇し、ある一定の値を超えると、第１ツェナーダイオード部４１、第２ツェナーダイオード部４２、第３ツェナーダイオード部４３がいずれもブレークダウンするため、図３のように、電源３からシグナルグラウンド線３２及びパワーグラウンド線３１のそれぞれに電流を流すことができる。従って、保護装置４０は、電源３に印加されるサージ電圧によって回路が故障することを防ぐことができる。しかも、保護装置４０は、電源３にサージ電圧が印加された場合に、２つの経路によってサージ電圧を吸収することができるため、冗長性の面で有利である。

保護装置４０は、電源３が逆接続されることにより各グラウンド線の電位に対して導電路１２の電位が低くなってしまった場合であっても、ダイオード部４６によって電流の逆流を防ぐことができる。

保護装置４０は、電源３の電圧にサージ電圧が重畳された場合に、第１ツェナーダイオード部４１を通る経路によってサージ電圧の一部を吸収する場合でも、第２ツェナーダイオード部４２を通る経路によってサージ電圧の一部を吸収する場合でも、第３ツェナーダイオード部４３が兼用される。従って、保護装置４０は、第１ツェナーダイオード部４１及び第２ツェナーダイオード部４２のサイズを抑えやすく、素子数を抑えやすい構成である。

＜他の実施形態＞
本開示は、上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではない。例えば、上述又は後述の実施形態の特徴は、矛盾しない範囲であらゆる組み合わせが可能である。また、上述又は後述の実施形態のいずれの特徴も、必須のものとして明示されていなければ省略することもできる。更に、上述した実施形態は、次のように変更されてもよい。

第１実施形態ではダイオード部４６として単一の整流ダイオードを例示したが、ダイオード部は、複数の整流ダイオードが各々のアノードを電源３側とする構成で同じ方向に並び直列に接続されていてもよい。この場合、ダイオード部のアノードとは、直列に並ぶ複数の整流ダイオードのうちの最も電源３側に配置された整流ダイオードのアノードを指し、具体的には、導電路１２に短絡する整流ダイオードのアノードを指す。また、複数の整流ダイオードが直列に接続された構成でダイオード部が構成されている場合、ダイオード部のカソードとは、複数の整流ダイオードのうちの最も第３ツェナーダイオード部４３側に配置された整流ダイオードのカソードを指し、具体的には第１導電路５２Ａに短絡する整流ダイオードのカソードを指す。

第１実施形態では第１ツェナーダイオード部４１として単一のツェナーダイオードを例示したが、第１ツェナーダイオード部４１は、複数のツェナーダイオードが各々のカソードを分岐部５４側とする構成で同じ方向に並び直列に接続されていてもよい。この場合、第１ツェナーダイオード部４１のカソードとは、それら直列に並ぶ複数のツェナーダイオードのうちの最も分岐部５４側に配置されたツェナーダイオードのカソードを指し、具体的には、分岐部５４に短絡するツェナーダイオードのカソードを指す。また、複数のツェナーダイオードが直列に接続された構成で第１ツェナーダイオード部が構成されている場合、第１ツェナーダイオード部のアノードとは、それら直列に接続された複数のツェナーダイオードのうちの最もパワーグラウンド線３１側に配置されたツェナーダイオードのアノードを指し、具体的にはパワーグラウンド線３１に短絡するツェナーダイオードのアノードを指す。

第１実施形態では第２ツェナーダイオード部４２として単一のツェナーダイオードを例示したが、第２ツェナーダイオード部４２は、複数のツェナーダイオードが各々のカソードを分岐部５４側とする構成で同じ方向に並び直列に接続されていてもよい。この場合、第２ツェナーダイオード部４２のカソードとは、それら直列に並ぶ複数のツェナーダイオードのうちの最も分岐部５４側に配置されたツェナーダイオードのカソードを指し、具体的には、分岐部５４に短絡するツェナーダイオードのカソードを指す。また、複数のツェナーダイオードが直列に接続された構成で第２ツェナーダイオード部が構成されている場合、第２ツェナーダイオード部のアノードとは、それら直列に接続された複数のツェナーダイオードのうちの最もシグナルグラウンド線３２側に配置されたツェナーダイオードのアノードを指し、具体的にはシグナルグラウンド線３２に短絡するツェナーダイオードのアノードを指す。

第１実施形態では第３ツェナーダイオード部４３として単一のツェナーダイオードを例示したが、第３ツェナーダイオード部４３は、複数のツェナーダイオードが各々のカソードをダイオード部４６側とする構成で同じ方向に並び直列に接続されていてもよい。この場合、第３ツェナーダイオード部４３のカソードとは、それら直列に並ぶ複数のツェナーダイオードのうちの最もダイオード部４６側に配置されたツェナーダイオードのカソードを指し、具体的には、ダイオード部４６のカソードに短絡するツェナーダイオードのカソードを指す。また、複数のツェナーダイオードが直列に接続された構成で第３ツェナーダイオード部が構成されている場合、第３ツェナーダイオード部のアノードとは、それら直列に接続された複数のツェナーダイオードのうちの最も分岐部５４側に配置されたツェナーダイオードのアノードを指し、具体的には分岐部５４に短絡するツェナーダイオードのアノードを指す。

今回開示された実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、今回開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

２ ：車載システム
３ ：電源
４ ：負荷
６ ：負荷
８ ：グラウンド部
８Ａ ：第１位置
８Ｂ ：第２位置
１２ ：導電路
１４ ：導電路
１６ ：導電路
２０ ：負荷駆動装置
２２ ：制御部
２４ ：駆動回路
２６ ：スイッチ
２８ ：スイッチ
３１ ：パワーグラウンド線
３１Ａ ：端子
３２ ：シグナルグラウンド線
３２Ａ ：端子
４０ ：車載用保護装置
４１ ：第１ツェナーダイオード部
４２ ：第２ツェナーダイオード部
４３ ：第３ツェナーダイオード部
４６ ：ダイオード部
５２ ：中間導電路
５２Ａ ：第１導電路
５２Ｂ ：第２導電路
５４ ：分岐部

Claims (2)

1. 車両内のグラウンド部に電気的に接続される導電路であるパワーグラウンド線と、前記パワーグラウンド線とは異なる導電路であるシグナルグラウンド線と、を備える車載システムに用いられる車載用保護装置であって、
   電源に基づく電圧が自身のアノード側に印加されるダイオード部と、
   一端に分岐部が設けられ、前記ダイオード部のカソードと前記分岐部と間の経路をなす中間導電路と、
   前記分岐部と前記パワーグラウンド線との間に設けられる第１ツェナーダイオード部と、
   前記分岐部と前記シグナルグラウンド線との間に設けられる第２ツェナーダイオード部と、
   を備え、
   前記第１ツェナーダイオード部は、自身のカソードが前記分岐部に電気的に接続され、自身のアノードが前記パワーグラウンド線に電気的に接続され、
   前記第２ツェナーダイオード部は、自身のカソードが前記分岐部に電気的に接続され、自身のアノードが前記シグナルグラウンド線に電気的に接続される
   車載用保護装置。
2. 前記中間導電路に設けられる第３ツェナーダイオード部を有し、
   前記第３ツェナーダイオード部は、自身のカソードが前記ダイオード部のカソードに電気的に接続され、自身のアノードが前記分岐部に電気的に接続される
   請求項１に記載の車載用保護装置。

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