JPWO2019220482A1 - 電子装置および電子装置が搭載された電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

コモンモードノイズを低減し、かつ外部から侵入してくるノイズに対して耐量の大きい電子装置を提供する。電子回路が構成された基板（１００）、基板（１００）を収納する筐体（５００）、基板上に設けられ、筐体（５００）の外部と内部とのインターフェースであるコネクタ（３００）を有する電子装置において、基板は、主回路を構成する主回路パターン部（１０１）とフレームグランドを構成するフレームグランドパターン部（１０２）とを有し、主回路パターン部（１０１）とフレームグランドパターン部（１０２）とは基板上及び基板内において重なることなく配置され、コネクタ（３００）の端子（３０１）は前記フレームグランドパターン部（１０２）に配置されていることを特徴とする。

Description

本願は、電子回路基板を有する電子装置および電動パワーステアリング装置に関する。

従来の電子装置では、基板グランドとコネクタグランドラインとフレームグランド（コントローラ保持部材）を電気的に直結することによりコモンモードノイズを低減し、コモンモードノイズが外部へ漏れることを低減している（例えば、特許文献１参照）。通常、電子装置（本文献では電動パワーステアリング装置）の筐体は車両のボディに電気的に繋がっていることが多く、この場合、車のバッテリから供給した電源電流は、ボディを介してバッテリに戻る事になる。コネクタにバッテリグランドまで戻るグランドハーネスが装備されている場合は、ボディとハーネスにリターン電流が分流することになり、その比率はそれぞれの配線抵抗により決まる。

また、従来の他の電子装置では、コネクタから直接接続され、多層基板の表面あるいは裏面に実装された電子部品（第１の電子部品）に流れ込むノイズが、内蔵電子部品へ伝搬することを抑制するシールドパターンを基板内層に設けることがある（例えば、特許文献２参照）。この場合、このシールドパターンはグランド層に接続することでシールド効果が高められる。

特許第６１２３８４８号公報 特許第５０３４４５３号公報

しかし、特許文献１の構成では、分流比が定まらない場合は配線設計ができないという不都合が生じるので、配線抵抗が所定の値になるよう、すなわち分流比が固定となる設計が必要となる。
特にボディ系の構造設計には部材を固定するボルトに、機械的な固定とは別に電気接続が確実に行われる特殊なボルトを使う等の配慮が必要となりコストアップになる。ボディだけに電流を戻す場合も同様である。
また分流を避け、ハーネスグランドに全電流を戻す設計も可能だが、この場合は電子装置をボディから電気的に浮かすために絶縁処置を施す必要があるため、前述したのと同様にコストアップになるという課題がある。

また、特許文献２に開示された構成では、基板のグランド層がコモンモードノイズに対して安定なグランドになるとは限らず、特に大電流のスイッチングを行うインバータ回路においては、グランド層がノイズ源になる場合があり、この場合グランド層をシールドパターンとすることは、多層基板に内蔵されている電子部品（第２の電子部品）へノイズを伝搬する経路となるばかりか、第１の電子部品、コネクタを介して装置外へノイズを伝搬してしまうという課題がある。

本願は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、電子装置から漏れ出るコモンモードノイズを効果的に低減可能、かつ外部から侵入してくるノイズを効果的に阻止可能な電子装置を低価格で提供することにある。

本願に開示される電子装置は、
電子回路が構成された基板、
基板を収納する筐体、
基板上に設けられ、筐体の外部と内部とのインターフェースであるコネクタを有するものであって、
基板は、主回路を構成する主回路パターン部とフレームグランドを構成するフレームグランドパターン部とを有し、主回路パターン部とフレームグランドパターン部とは基板上及び基板内において重なることなく配置され、コネクタの端子はフレームグランドパターン部に配置されていることを特徴とする。

本願に開示される電子装置によれば、主回路パターン部とフレームグランドパターン部の静電結合が疎となることにより、主回路で発生したコモンモードノイズが、静電結合を介して外部へ漏れることを低減できる。

実施の形態１における電子装置の全体構成図であり、図１Ａは平面図、図１Ｂは図１ＡのＡ−Ａ’断面図である。 実施の形態１における別の電子装置の全体構成図であり、図２Ａは平面図、図２Ｂは図２ＡのＡ−Ａ’断面図である。 実施の形態１及び２を説明する回路ブロック図であり、図３Ａは静電結合が密の状態を説明する回路ブロック図、図３Ｂは、図３Ａの回路ブロック図のノイズの伝搬ルートを説明する図、図３Ｃは、静電結合が疎の状態の回路ブロック図のノイズの伝搬ルートを説明する図である。 図３Ａの回路ブロック図で示された電子装置の全体構成図であり、図４Ａは平面図、図４Ｂは図３ＡのＡ−Ａ’断面図、図４Ｃは図４Ｂの破線で示されたＢ部拡大断面図である。 実施の形態２における電子装置の全体構成図であり、図５Ａは平面図、図５Ｂは図５ＡのＡ−Ａ’断面図である。 実施の形態３における電子装置の全体構成図であり、図６Ａは平面図、図６Ｂは図６ＡのＡ−Ａ’断面図である。 実施の形態４における電動パワーステアリング装置の概略構成図である。 図７の電動パワーステアリング装置のＥＣＵ２の基板１００が見える位置の断面をモータ１側から見た図である。

実施の形態１．
以下、実施の形態１について図１から図４を用いて説明する。以降、各図において同一または相当部材、部位については同一符号を付して説明する。図１は実施の形態１の電子装置の全体構成図を示し、図１Ａは、電子装置の平面図を、図１Ｂは、図１ＡのＡ−Ａ’断面図を示す。電子装置は電子回路が構成された基板１００と、必要に応じて配置されたモジュール２００と、外部とのインターフェースであるコネクタ３００と、基板１００、及びモジュール２００を電気的に接続する配線４００と、これら構成要素を収納する、金属で構成された筐体５００とからなる。
基板１００は、主回路を構成する主回路パターン部１０１と、フレームグランドを構成するフレームグランドパターン部１０２とに分かれ、主回路パターン部１０１とフレームグランドパターン部１０２とは静電結合が疎になるように配線する。フレームグランドパターン部１０２は、筐体５００にフレームグランド端子４０１で低インピーダンスに接続されている。主回路パターン部１０１からコネクタ３００へ繋がるラインにノイズフィルタ６００を挿入し、ノイズフィルタ６００を構成する部品は、主回路パターン部１０１とフレームグランドパターン部１０２との境界付近、又はフレームグランドパターン部１０２側に配置する。ノイズフィルタ６００を構成する部品の内、グランドはフレームグランドパターン部１０２に接続し、コネクタ３００とノイズフィルタ６００とをつなぐコネクタ端子３０１はフレームグランドパターン部１０２側に配置されている。配線１０５は、主回路パターン部１０１からコネクタ３００へと繋がるパターンを示す（図１Ｂでは配線１０５は省略）。
図１ＢのＡ−Ａ’断面図に示すように主回路パターン部１０１と、フレームグランドパターン部１０２とは、内層パターンも含めラップすることなく分離することで静電結合が疎になる状態としている。

図２は、実施の形態１の電子装置の別の構成を示す全体構成図で、図２Ａは電子装置の平面図を、図２Ｂは、図２ＡのＡ−Ａ’断面図を示す。この構造の電子装置においては、フレームグランド端子４０１を、図１Ｂに示すような端子を基板に半田付けするのではなく、筐体５００の底面から壁を立ち上げ、基板裏面に、より広い面で接触し、電気的に接続した形態で構成している。このような構造とすることによって筐体５００とフレームグランド間の接続を、図１に比べ、より低インピーダンスにすることが可能である。

次に、図１または図２で示された電子装置のコモンモードノイズの挙動について、主回路パターン部１０１と、フレームグランドパターン部１０２との静電結合が密の場合と疎の場合について述べる。
図３Ａに、電子装置の回路ブロック図を示す。主回路パターン部１０１にはスイッチング電源７００と、マイコン８００が搭載されている。またマイコン８００にはクロック源となる振動子８０１が接続されている。一方、フレームグランドパターン部１０２には、コイル６０１とコンデンサ６０２とからなるノイズフィルタ６００が接続されている。主回路パターン部１０１とフレームグランドパターン部１０２は一部ラップしている。

スイッチング電源７００には、回路を動作させるための数十ＫＨｚ〜数百ＫＨｚのクロック源が存在し、これがノイズ源となり電源ライン、グランドライン及び周辺パターンに高周波ノイズが重畳する。またマイコン８００の振動子８０１についても同様で数ＭＨｚ〜数十ＭＨｚの高周波ノイズが重畳する。高周波ノイズは高調波成分まで含めると通常、数百ＫＨｚから数百ＭＨｚ（場合によっては数ＧＨｚまで）まで広がり、このノイズがコネクタ３００を介してハーネスに漏れ出すと外部機器に妨害を与える可能性がある。車載の場合は主にラジオ受信器の妨害電波となる。
電源とグランド間に発生するノイズは、ノーマルモードノイズであり、回路と筐体間に発生するノイズはコモンモードノイズである。
ノーマルモードノイズについては、図３Ａ中、コイル６０１−ａとコンデンサ６０３で構成されるローパスフィルタで除去できる事が一般的に知られており、以下の説明では言及しない。

破線で示したコンデンサ（浮遊容量）９０１は、主回路パターン部１０１と筐体５００との浮遊容量であり、部品としては存在しない。同様に、コンデンサ（浮遊容量）９０２は、主回路パターン部１０１とフレームグランドパターン部１０２との浮遊容量で部品としては存在しない。この浮遊容量が大きい場合は、静電結合が密状態を示し、小さい場合は静電結合が疎状態であることを意味する。図３Ａの回路ブロック図では、前述した通り、主回路パターン部１０１とフレームグランドパターン部１０２は一部ラップしているため、静電結合は密状態となる。

図４は図３Ａの回路ブロック図で示された電子装置の全体構成図であり図４Ａは平面図を、図４Ｂは図４ＡのＡ−Ａ’断面図を、図４Ｃは図４Ｂの破線で示されたＢ部拡大断面図である。図４Ａ，図４Ｂで示された通り、主回路パターン部１０１とフレームグランドパターン部１０２は、内層パターン１０３、１０４で一部ラップしている。このため、図３Ａで示されるＣ点が、内層パターン１０３、１０４の主回路パターン部１０１側に存在していても、Ｃ点から伸びたパターンがフレームグランドパターン部１０２とラップしたところに配線されることにより、図４Ｃで示す浮遊容量９０２を介して内層パターン１０３、１０４の上下にあるパターン、又はコネクタ端子３０１に静電結合し、主回路パターン部１０１からフレームグランドパターン部１０２に容易にノイズが伝搬する。フレームグランドパターン部１０２に伝搬したノイズは、コネクタ端子３０１を経由して電子装置外部へ漏れ出し、外部機器に妨害を与える可能性がある。

このように、静電結合が密状態の場合、コンデンサ（浮遊容量）９０２で示された浮遊容量の具体値を一般的によく使用されるプリント基板の４層ＦＲ４を例に考察する。１０ｍｍ四方のパターンが内層と表面層で向かい合う場合、その比誘電率は約４．７、層間距離は約０．２１ｍｍから浮遊容量（結合容量）は約２０ｐＦとなり、高周波ノイズ信号を伝搬するには十分な容量であることが分かる。

次にノイズの伝搬ルートについて、図３Ａ、及び図３Ｂに示された回路ブロック図で説明する。図中、回路上のＣ点において、スイッチング電源のクロックノイズが重畳されると、このノイズはコイル６０１−ａとコンデンサ６０２−ａで構成されたノイズフィルタ６００（図１参照）によって阻止され、コネクタ３００のＢラインへは伝搬しない（図３Ａ参照）。しかし、図４Ｃで説明したように、静電結合が密状態の場合は、浮遊容量９０２−ａが存在するので、このノイズフィルタをバイパスし、Ｂラインから外部ハーネスへと漏れ出し、バッテリ１０、筐体５００、浮遊容量であるコンデンサ（浮遊容量）９０１−ａを経由し、ノイズ源であるＣ点に戻るループＬ（図３Ｂ中、１点鎖線）を構成する。ここで厳密には、浮遊容量９０２−ａを介して伝達したノイズ信号はコンデンサ６０２−ａ経由で筐体へ戻るルートも存在し、ノイズフィルタの効果が無い訳ではない。しかし、コイル６０１−ａが機能しないためフィルタ性能は著しく低下する。

これに対し、図１、及び図２で示した本願の実施の形態１の電子装置の構造では、前述した通り、主回路パターン部１０１とフレームグランドパターン部１０２の結合容量を意図的に小さくするために、それぞれのエリアのパターンがラップしないように完全に分離して配線することで、静電結合を疎の状態としている。これによって図３Ａに示す浮遊容量９０２−ａは、存在しないか極小になり、コイル６０１−ａとコンデンサ６０２−ａで構成されたノイズフィルタをバイパスするルートは断たれる（図３Ｃ参照）。コイル６０１−ａとコンデンサ６０２−ａで構成されるノイズフィルタにより、先に説明したノイズの伝搬ルートのループＬが断たれることになり、ノイズが電子装置外には漏れ出さなくなる。

以上はコネクタ端子のＢラインを例に説明してきたが、他のＧライン、Ｓラインについても同様に静電結合を疎にすることにより、ノイズの漏洩を防止することができる。図３ＣのＧ端子から筐体５００内部へ繋がるラインは、コンデンサ６０２でフレームグランドに接地した後、主回路パターン部１０１に配線している。これは、このラインに重畳するノイズが比較的小さい場合を想定したもので、大きなノイズが重畳している場合は、Ｂ端子のコイル６０１−ａと同様のコイルを挿入すればノイズフィルタの効果が向上し、有効なノイズ対策となる。

以上説明してきたとおり、主回路パターン部１０１とフレームグランドパターン部１０２の結合容量を疎にすることでノイズフィルタが有効に作用し、電子装置内で発生したノイズが装置外へ漏れ出すことを阻止できる。

なお、コネクタへ繋がるラインにノイズが重畳している事例で説明したが、コネクタへ繋がるラインそのものにノイズが重畳してない場合は、主回路パターン部１０１とフレームグランドパターン部１０２の静電結合を疎にしているため、他のノイズが重畳しているラインからの影響はなくなるので、ラインにノイズフィルタを挿入する必要はない。
また、本実施の形態では主回路パターン部１０１とフレームグランドパターン部１０２の静電結合の疎密について説明したが、磁気結合に関しても同様の考え方で電子装置を構成することができる。
また、本実施の形態では電子回路を構成する基板は１枚の場合で説明したが、基板が複数枚になっても同様の考え方で電子装置を構成すること可能である。

実施の形態２．
実施の形態１ではノイズのバイパスルートを断つこと、すなわち主回路パターン部１０１とフレームグランドパターン部１０２の結合容量を疎にする例について説明したが、ノイズ対策のもう一つの重要な要素としてノイズフィルタの性能向上が挙げられる、その手法について以下に説明する。

図３Ｂで説明したとおり、バイパスルートが断たれたノイズの伝搬ルートは、図３Ｃの一点鎖線で示したループＭの通り、Ｃ点の存在するライン、コイル６０１−ａ、コンデンサ６０２−ａ、フレームグランドパターン部１０２、フレームグランド端子４０１、筐体５００、浮遊容量９０１−ａ、を経由し、Ｃ点のラインに戻るループとなる。このときノイズがコネクタＢラインへ漏れないようにするには、コイル６０１−ａの右側端子からコンデンサ６０２−ａを見たインピーダンスが、コネクタ３００のＢ端子を見たインピーダンスに比べ十分小さくしておく必要がある。言い換えると、図３Ｃのノイズ伝搬ルートのインピーダンスを、図３Ｂのノイズ伝搬ルート（ただし結合容量がない場合）のインピーダンスに比べて十分小さくしておく必要がある。

また、ノイズフィルタは、コイルとコンデンサからなるＬＣ、ＬＣＬ、又はＣＬＣ等の構成が知られている。フィルタの挿入場所、又は要求性能に応じてそれぞれ使い分けがされているが、ローパスフィルタの場合、いずれのコンデンサも端子の一方は接地する構成である。このとき配線及び部品リードによってコンデンサに直列に入るインダクタンス成分が大きくなるとフィルタの性能を劣化させる事もよく知られている。また、コイルは電気的にインダクタンス成分を有する素子であればよいので、フェライトビーズに置き換えても構わない。

対応としてフレームグランドパターン部１０２を基板上に広く配置し、チップコンデンサを使用し、部品同士を最短で結線すると、リードインダクタンスは容易に小さくすることがでる。さらにフレームグランドパターン部１０２と筐体５００を、実施の形態１でも説明したように低インピーダンスで接続すればよい。

図１のフレームグランド端子４０１は、フレームグランドと筐体５００を略０．６ｍｍ四方の端子で接続した例である。端子が長くなるとインダクタンスが大きくなり全体のインピーダンスが大きくなり性能劣化の要因となる、性能向上の為には可能な限りこの端子は、短く、太く、かつ本数を増やせば良い。

図５のフレームグランド端子４０１は、筐体５００の底面と天面からそれぞれ壁を立ち上げ、基板１００のフレームグランドパターン部１０２の上下面に、それぞれ面で電気的に接続した例で、図中、斜線部は基板１００とフレームグランド端子４０１との上面の接触部を示す。このような構造により、筐体５００とフレームグランド間の接続インピーダンスが低減できるとともに、主回路パターン部１０１とフレームグランドパターン部１０２とを筐体５００でそれぞれシールドすることができる。

実施の形態３．
実施の形態１及び２では、筐体はすべて金属から成る場合を説明したが、一部を金属筐体としてもノイズ性能を劣化させない事例について図６により説明する。

図６において、例えば、主たるノイズ源がモジュール２００である場合、筐体５００の斜線部５０１のみを金属で構成することが可能である。モジュール２００と斜線部５０１間の浮遊容量を積極的に作り、筐体内のノイズ伝搬ルートを構成している。実施の形態２で説明したように、ノイズ源とその伝搬ルートを電子装置内に構成し、かつ低インピーダンスにすればよいから、ノイズ源が特定できる場合は本構成が有効である。モジュール２００を例にとって説明したが、ノイズ源が他の場所であっても、また複数あっても同様の扱いで設計することが可能である。また、筐体の金属部（斜線部５０１）以外には樹脂等を採用することで、設計自由度が向上し、軽量かつ低コスト化を図ることができる。

実施の形態４．
実施の形態１から３で説明した電子装置を電動パワーステアリング装置に応用した構成について説明する。
図７は電動パワーステアリング装置の概略構成図である。モータ１とＥＣＵ（Electric Control Unit）２が同軸上に配置してあり、モータ１の出力軸はＥＣＵ２を貫通してギア３につながっている。ＥＣＵ２のコネクタ３００にはバッテリ（図示せず）から電源が供給されている。また、ハンドル軸に装着された図示しないトルクセンサからのトルク信号がＥＣＵ２に入力され、ＥＣＵ２はトルク信号の大きさに応じて適正なハンドルアシスト量を計算し、計算結果に基づいてモータ１を駆動する。モータ１の出力はギア３を介してハンドル軸につながっており、適切なアシストを実現する。

図８はＥＣＵ２の基板１００が見える位置の断面をモータ１側から見た図である。アルミダイキャストで作られた筐体５００に基板１００を収納している、モジュール２００は、本実施の形態ではモータ１を駆動するためのパワー回路である。モジュール２００と基板１００は配線４００で電気的に繋がっている。一方、コネクタ端子３０１を基板１００の端面に複数配置し、半田付けする構造になっている。

この図において、斜線部は、フレームグランド端子４０１であり、ケースから立ち上がった壁であり、基板裏面に面で電気的に接している。ネジ４０２は基板１００をフレームグランド端子４０１に押し当て電気接続を確実にするための機能を有する。

斜線で示したフレームグランド端子４０１からコネクタ端子３０１側がフレームグランドパターン部１０２であり、また一点鎖線で示したラインから下側が主回路パターン部１０１である。主回路パターン部１０１とフレームグランドパターン部１０２とは、実施の形態１から３で説明したように内層も含め配線パターンをラップさせず、静電結合、磁気結合が疎になるように設計してある。

主回路パターン部１０１からコネクタ端子３０１へ繋がるラインには、図示しないが、主回路パターン部１０１とフレームグランドパターン部１０２との境界部またはフレームグランドパターン部１０２側に、適切なノイズフィルタ６００を配置し、ノイズが外部へ漏れ出すことを阻止している。

このように、特別な部品を使用することなく、基板上の主回路パターン部とフレームグランドパターン部とをラップさせないように設計することでノイズ性能に優れたＥＣＵを提供することが可能となる。

以上説明したように、主回路パターン部１０１とフレームグランドパターン部１０２の静電結合を疎にすることでノイズのバイパスルートを断ちコモンモードノイズを低減できる。またフレームグランドパターン部１０２と金属製の筐体５００を低インピーダンスで接続することで、ノイズフィルタの性能を有効に引き出すことができコモンモードノイズを低減できる。筐体５００の金属製部分は電子装置のノイズ源に対して必要な場所に配置することでコストパフォーマンスを向上することができる。

以上の説明では電子装置から外部へ漏れ出すコモンモードノイズについて説明してきたが、本構成をとれば、外部ハーネスから電子装置をみた場合、筐体５００とのインピーダンスが低くなっていることは自明である。従って外部から侵入してきたノイズはコネクタ３００、コンデンサ６０２を経由して金属製の筐体５００へ流れ、主回路へは流れない。これは電子装置の外部ノイズ耐量が向上したことを意味する。

各種電子装置には通常ノイズに対する公的な規格に基づいた要求仕様がある。例えば車載機器では、ＩＥＣのＣＩＳＰＲ２５でクラス１からクラス５の５段階で規定されることが多い。筐体とフレームグランドの接続については高性能を求める場合、構造設計の制約を受けることになり、また機器の大型化とコストアップを招く方向にある。本実施の形態１から３のいずれの手法を採用するかは、要求仕様に応じた最適な設計をすることで高性能かつコストパフォーマンスの良い電子装置を実現することが可能である。

モータ等のインダクタンス負荷を駆動するインバータ回路は、その回路方式から原理的に多くのノイズを発生する性格を有する、代表例として実施の形態４で説明したような、車載用の電動パワーステアリング装置のコントローラに本手法を採用することで有効にＥＭＣ改善が可能となる。

本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１００：基板、１０１：主回路パターン部、１０２：フレームグランドパターン部、２００：モジュール、３００：コネクタ、３０１：コネクタ端子、４００：配線、４０１：フレームグランド端子、５００：筐体、６００：ノイズフィルタ

Claims (6)

1. 電子回路が構成された基板、
   前記基板を収納する筐体、
   基板上に設けられ、前記筐体の外部と内部とのインターフェースであるコネクタを有する電子装置において、
   前記基板は、主回路を構成する主回路パターン部とフレームグランドを構成するフレームグランドパターン部とを有し、前記主回路パターン部と前記フレームグランドパターン部とは基板上及び基板内において重なることなく配置され、前記コネクタの端子は前記フレームグランドパターン部に配置されていることを特徴とする電子装置。
2. 前記主回路から前記コネクタへ繋がるラインにノイズフィルタを接続し、前記ノイズフィルタは、前記主回路パターン部と前記フレームグランドパターン部の境界近傍、又は前記フレームグランドパターン部に配置し、前記ノイズフィルタのグランドは前記フレームグランドパターン部に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の電子装置。
3. 前記フレームグランドパターン部と前記筐体とは、接続部が面状に形成された部材で、前記筐体の底面に電気的に接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電子装置。
4. 前記接続部が面状に形成された部材は、前記筐体の底面から天面に亘って形成された壁状のシールド部材であることを特徴とする請求項３に記載の電子装置。
5. 前記筐体内の基板外に、ノイズ源であるモジュールが収納されており、前記筐体の前記モジュールとの接触部は金属で形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の電子装置。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の電子装置が搭載された電動パワーステアリング装置。

Images