JP5339876B2 - 自動車用電装機器 - Google Patents

Description

本発明は自動車用電装機器に関し、特に互いに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に関する。

自動車用電装機器においては、例えば図２に示すようにマイクロコンピュータ（ＣＰＵ）など複雑な制御を実施するための制御回路１０と、様々な負荷の通電をオンオフ制御する出力回路２０とが備わっている場合が多い。負荷としては、例えば表示用のランプや発光ダイオード、ソレノイド、電気モータなどがある。負荷には比較的大きな電流が流れるし、その電流が大きく変動するので、負荷と接続される電源ラインやアースライン（接地側のライン：グランドとも言う）には比較的大きな電位変動などのノイズが発生する可能性が高い。しかし、このようなノイズは出力回路における負荷の制御には大きく影響しないのが普通である。

一方、マイクロコンピュータのような制御回路については、誤動作等が生じないように、電源電圧として非常に安定した一定の電圧を供給することが不可欠である。そのため、制御回路側のアースライン（ＳＧＮＤ）については、出力回路側のアースライン（ＰＧＮＤ）とは独立にしておく場合が多い。これにより、制御回路側のアースラインの電位は、負荷のオンオフに伴って発生するノイズの影響を受けなくなり、制御回路の動作が安定する。

例えば、特許文献１に開示された技術では、エンジンの電子制御装置のグランド線（アースライン）について、パワー系グランド線とシグナル系グランド線とに分離する場合を想定している。また、特許文献１では、パワー系グランド線とシグナル系グランド線との電位差を小さくするための技術を開示している。具体的には、電源ラインの電圧変動に伴うグランド線の電位変動が複数グランド間の電位差として現れないように、コンデンサの容量を調整している。

また、例えば特許文献２に開示された技術においては、２つのツェナーダイオードを互いに逆極性で直列に接続した回路を用いて、複数グランド間の電位差が所定以上になるのを防止している。

また、例えば特許文献３には、ＣＭＬレベルの信号をＴＴＬレベルの信号に変換するためのレベル変換回路が開示されている。
特開平９−１７７５９７号公報 特開２００１−１５７３６０号公報 特開平９−１０７２８３号公報

様々な自動車用電装機器においては、例えばマイクロコンピュータなどで構成される制御回路から出力される二値レベル（高レベル／低レベル）の制御信号を出力回路の入力に印加し、この制御信号によって負荷の通電のオンオフを制御するのが一般的である。ところが、制御回路側のアースライン（シグナル系グランド線）と出力回路側のアースライン（パワー系グランド線）との間に電位差が発生している場合には、動作不良が発生する可能性があった。

すなわち、制御回路の出力する制御信号がオンレベルに切り替わっても、前記電位差の影響で出力回路のスイッチング素子（例えばトランジスタ）の状態が十分に切り替わらず、負荷の通電がオンしなくなる。あるいは、制御回路の出力する制御信号がオフレベルに切り替わっても、前記電位差の影響で出力回路のスイッチング素子の状態が十分に切り替わらず、負荷の通電がオフしなくなる。

例えば、電源回路のアースラインと自動車用電装機器とを接続するために長さの長いハーネスを用いている場合、各回路に流れる電流の大小に応じてハーネスの線路上で電圧降下（線路の抵抗値×電流）が発生し、独立している複数のアースライン（シグナル系グランド線、パワー系グランド線）の間に電位差（オフセット）が発生する。

このような電位差が制御回路のアースライン（シグナル系グランド線）と出力回路のアースライン（パワー系グランド線）の間に発生すると、制御回路の出力する制御信号のオンレベル又はオフレベル（アース電位に対する電位差）が、出力回路側でスイッチング素子を切り替えるのに必要な閾値まで到達せず、スイッチングの誤動作が発生する。

具体例として、図２に示した装置の動作について考える。ここでは、出力回路２０内部のスイッチング素子（ＦＥＴ１）をオフからオンに切り替えるのに必要な制御信号ＳＧ１の電圧がパワー系グランド線（ＰＧＮＤ）に対して４Ｖ以上であり、スイッチング素子（ＦＥＴ１）をオンからオフに切り替えるのに必要な制御信号ＳＧ１の電圧がパワー系グランド線（ＰＧＮＤ）に対して０．４Ｖ以下に設計されている場合を想定する。また、シグナル系グランド線（ＳＧＮＤ）に対する制御信号ＳＧ１の（高レベル／低レベル）の電圧がそれぞれ（４．５Ｖ／０．１Ｖ）である場合を想定する。

パワー系グランド線（ＰＧＮＤ）のアース電位とシグナル系グランド線（ＳＧＮＤ）のアース電位との間に電位差のオフセットがない場合は問題は生じない。すなわち、制御信号ＳＧ１が高レベルになると、出力回路２０の入力に４．５Ｖの電圧が印加されるので、スイッチング素子（ＦＥＴ１）はオフからオンに切り替わる。また、制御信号ＳＧ１が低レベルになると、出力回路２０の入力に０．１Ｖの電圧が印加されるので、スイッチング素子（ＦＥＴ１）はオンからオフに切り替わる。

ところが、図３に示すようにパワー系グランド線（ＰＧＮＤ）のアース電位がシグナル系グランド線（ＳＧＮＤ）のアース電位に対して例えば１．０Ｖ（オフセット）だけ高くなっている場合には問題が発生する。すなわち、制御信号ＳＧ１が高レベルになった時に出力回路２０の入力に印加される電圧は、オフセットの影響でパワー系グランド線（ＰＧＮＤ）のアース電位に対して３．５Ｖの電圧までしか達しないのでスイッチング素子（ＦＥＴ１）をオフからオンに切り替えることができない。

また、例えば図４に示すように、パワー系グランド線（ＰＧＮＤ）のアース電位がシグナル系グランド線（ＳＧＮＤ）のアース電位に対して例えば１．０Ｖ（オフセット）だけ低くなっている場合にも問題が発生する。すなわち、制御信号ＳＧ１が低レベルになった時に出力回路２０の入力に印加される電圧は、オフセットの影響でパワー系グランド線（ＰＧＮＤ）のアース電位に対して１．１Ｖの電圧までしか下がらないのでスイッチング素子（ＦＥＴ１）はオンからオフに切り替わらない。

例えば、特許文献１に開示された技術においては、電源ラインに交流の電位変動が生じた場合に、複数のアースライン間の電位差の増大を抑制できる。また、特許文献２に開示された技術においては、複数のアースライン間の直流の電位差の増大を抑制できる。

しかしながら、特許文献１又は特許文献２の技術を採用したとしても、複数のアースライン間の直流の電位差を０にできるわけではなく、上記のようなスイッチングの誤動作を防止できない。

また、特許文献３の技術を採用すれば複数の回路の間で信号レベルの変換を行うことができる。しかしながら、特許文献３においてはＣＭＬ回路、ＴＴＬ回路のように接続する複数の回路のアースラインが共通であり、それらの間に電位差が発生しないことを前提としているので、前述の自動車用電装機器のように複数の回路のアースライン間に未知の電位差が発生しうる用途では利用できない。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、互いに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において、複数のアースライン間に直流の電位差が生じている場合であっても、負荷のスイッチングに関する誤動作を防止するができる自動車用電装機器を提供することにある。

前述した目的を達成するために、本発明に係る自動車用電装機器は、下記（１）〜（３）を特徴としている。
（１） 負荷への通電を制御するための制御信号を生成する制御回路と、前記制御回路から出力される制御信号に従って負荷への通電をスイッチングする出力回路と、前記制御回路の出力と前記出力回路の入力との間に接続された変換回路と、によって構成され、前記制御回路側のアース端子に現れる第１のアース電位と前記出力回路側のアース端子に現れる第２のアース電位とが独立している自動車用電装機器であって、
前記変換回路は、制御入力端子が前記制御回路の出力に接続され、前記制御回路の前記第１のアース電位と前記制御信号との電位差に従ってオンオフする第１のスイッチング素子と、制御入力端子が前記第１のスイッチング素子の出力端子と接続され、所定の電源ラインの電位と前記第１のスイッチング素子の出力端子の電位との電位差に従ってオンオフする第２のスイッチング素子とを有し、
前記第１のスイッチング素子は、トランジスタによって構成され、該第１のスイッチング素子のベース電極が制御回路の出力端子と接続され、該第１のスイッチング素子のエミッタ電極が前記第１のアース電位と同一電位のアース端子に接続され、
前記第２のスイッチング素子の出力端子が前記出力回路の入力端子に接続されていること。
（２） 上記（１）に記載の構成の自動車用電装機器において、
前記制御回路に電力を供給する第１の電源ラインに比べて高い電位が現れる第２の電源ラインに前記第２のスイッチング素子の一端を接続したこと。
（３） 上記（１）に記載の構成の自動車用電装機器において、
前記第１のスイッチング素子、第２のスイッチング素子として互いに種類もしくは極性が異なるスイッチング素子を接続したこと。

上記（１）の構成の自動車用電装機器によれば、前記第１のアース電位と第２のアース電位との間に直流の電位差（電位のオフセット）が生じている場合であっても、誤動作が生じるのを防止することができる。すなわち、前記変換回路に設けた第１のスイッチング素子は、前記制御信号と第１のアース電位との電位差を入力としてオンオフするので、第１のアース電位と第２のアース電位との電位差の影響は受けない。また、前記第２のスイッチング素子についても、電源ラインの電位と前記第１のスイッチング素子の出力端子の電位との電位差に従ってオンオフするので、第１のアース電位と第２のアース電位との電位差の影響は受けない。従って、前記電源ラインの電位が十分に高い場合には、前記第２のアース電位に前記オフセットが存在する場合でも、前記制御信号により前記出力回路の入力端子と第２のアース電位との間にスイッチングに十分な電位変化を与えることができる。
また、スイッチング素子として、トランジスタを用いれば、前記制御信号のレベル変化（例えば高レベルと低レベルとの差が５Ｖ）に比べて小さい電位変化（０．７Ｖ程度）でオンオフの状態を切り替えることが可能であり、より確実なスイッチングが可能になる。
上記（２）の構成の自動車用電装機器によれば、前記第１の電源ラインよりも高い電位が現れる第２の電源ラインに前記第２のスイッチング素子を接続してあるので、前記第２のスイッチング素子がオンの時に、前記制御信号の高レベルよりも高い電位を前記出力回路の入力端子に供給することができ、前記第２のアース電位のオフセットの影響を更に受けにくくなる。従って、スイッチングの誤動作が生じにくい。
上記（３）の構成の自動車用電装機器によれば、例えばＰＮＰトランジスタやＮＰＮトランジスタのように種類あるいは極性が異なるスイッチング素子を使用できるので、所望のスイッチング動作を容易に実現できる。すなわち、前記第１のスイッチング素子として例えばＮＰＮトランジスタを用いることにより前記制御信号と第１のアース電位との電位差を入力としてオンオフする動作を実現できる。また、第２のスイッチング素子として例えばＰＮＰトランジスタを用いることにより、前記電源ラインの電位と前記第１のスイッチング素子の出力との電位差を入力としてオンオフする動作を実現できる。

以上のように本発明によれば、互いに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において、複数のアースライン間に直流の電位差が生じている場合であっても、負荷のスイッチングに関する誤動作を防止できる。

以上、本発明について簡潔に説明した。更に、以下に説明される発明を実施するための最良の形態を添付の図面を参照して通読することにより、本発明の詳細は更に明確化されるであろう。

本発明の自動車用電装機器に関する具体的な実施の形態について、図１を参照しながら以下に説明する。

図１は本実施の形態における自動車用電装機器の基本的な構成例を示している。具体的には、この自動車用電装機器は、自動車に搭載される計器板を照明するための照明装置の一部分である。勿論、このような照明装置以外にも様々な自動車用電装機器に本発明は適用できる。

図１に示す自動車用電装機器は、制御対象の負荷として照明用の光源となる発光ダイオードＬＥＤ１を有している。この発光ダイオードＬＥＤ１に対する通電のオンオフを切り替えるために出力回路４０が設けてある。出力回路４０の内部には、スイッチング素子として電界効果型トランジスタＦＥＴ１が設けてある。なお、電界効果型トランジスタＦＥＴ１の代わりに普通のトランジスタを用いても良い。

発光ダイオードＬＥＤ１は、アノード端子が電源ライン６１と接続され、カソード端子が抵抗器ＲＬを介して出力回路４０の出力端子４０ａと接続されている。電界効果型トランジスタＦＥＴ１は、制御入力であるゲート電極が抵抗器Ｒ１を介して出力回路４０の入力端子４０ｂと接続され、ソース電極がパワー系グランド線（ＰＧＮＤ）６３と接続され、ドレイン電極が出力回路４０の出力端子４０ａと接続されている。電界効果型トランジスタＦＥＴ１のゲート電極とソース電極との間には抵抗器Ｒ２が接続されている。

この例では、出力回路４０は比較的大きい電流を扱うので、アースとしてパワー系グランド線６３を使用している。電源ライン６１には約１２Ｖ（ＰＧＮＤの電位に対する電位差）の直流電圧が図示しない電源から供給される。

制御対象の負荷である発光ダイオードＬＥＤ１のオンオフを制御するための制御信号ＳＧ１を生成するために制御回路３０が設けてある。制御回路３０は、マイクロコンピュータ（ＣＰＵ）を用いて構成してある。制御信号ＳＧ１は高レベル／低レベルの２つの状態のいずれかに変化する二値信号である。

制御回路３０には電源ライン６０から安定化された所定の直流電圧（５Ｖ：ＳＧＮＤの電位に対する電位差）が供給される。制御回路３０のアース端子はシグナル系グランド線（ＳＧＮＤ）６２と接続されている。

シグナル系グランド線６２はパワー系グランド線６３とは独立している。つまり、制御回路３０と出力回路４０は互いに独立したアースを使用している。シグナル系グランド線６２の電位とパワー系グランド線６３の電位とはほぼ同じである場合が多いが、常に同等であるとは限らない。例えば、パワー系グランド線６３に比較的大きな直流電流が流れると、ハーネスなどの配線上で生じる電圧降下の影響で、パワー系グランド線６３の直流電位が変化する。そのため、シグナル系グランド線６２とパワー系グランド線６３との間に直流の電位差（電位のオフセット）が発生する可能性がある。

従って、もしも制御回路３０の出力端子を直接出力回路４０の入力端子４０ｂと接続すると、図３、図４に示すようなオフセットの影響が現れる。例えば、制御信号ＳＧ１が高レベル（５Ｖ程度）になったときに、出力回路４０の入力端子４０ｂの電圧（ＰＧＮＤに対する電位差）がオフセットの影響で５Ｖを大きく下回り、電界効果型トランジスタＦＥＴ１がオフからオンに遷移しない状態になる。あるいは、制御信号ＳＧ１が低レベル（０Ｖ程度）になったときに、出力回路４０の入力端子４０ｂの電圧（ＰＧＮＤに対する電位差）がオフセットの影響で０Ｖを大きく上回り、電界効果型トランジスタＦＥＴ１がオンからオフに遷移しない状態になる。つまり、アース電位のオフセットによって、出力回路４０のスイッチングに動作不良が発生する。

そこで、図１に示した自動車用電装機器においては、制御回路３０の出力と出力回路４０の入力との間に特別な変換回路５０を接続してある。この変換回路５０には、スイッチング素子として、ＮＰＮトランジスタＴＲ１及びＰＮＰトランジスタＴＲ２が設けてある。図１に示すように、ＮＰＮトランジスタＴＲ１は制御入力であるベース電極が抵抗器Ｒ３を介して制御回路３０の出力端子と接続され、エミッタ電極がアースであるシグナル系グランド線６２と接続されている。ＮＰＮトランジスタＴＲ１のベース電極とエミッタ電極との間には抵抗器Ｒ４が接続してある。

ＮＰＮトランジスタＴＲ１の出力であるコレクタ電極は、抵抗器Ｒ５を介してＰＮＰトランジスタＴＲ２のベース電極と接続されている。ＰＮＰトランジスタＴＲ２のエミッタ電極は、電源ライン６１と接続されている。また、ＰＮＰトランジスタＴＲ２のベース電極とエミッタ電極の間には抵抗器Ｒ６を接続してある。ＰＮＰトランジスタＴＲ２の出力であるコレクタ電極は、出力回路４０の入力端子４０ｂと接続されている。

変換回路５０はアースとして制御回路３０と共通のシグナル系グランド線６２を使用している。従って、変換回路５０についてはシグナル系グランド線６２とパワー系グランド線６３の電位差の影響は生じない。すなわち、制御信号ＳＧ１が高レベル（５Ｖ）になり、ＮＰＮトランジスタＴＲ１の入力電圧（ベース−エミッタ間の電圧）が所定の閾値ＶＢＥ（例えば０．６Ｖ）を上回ると、ＮＰＮトランジスタＴＲ１がオンになり、ＴＲ１のコレクタ−エミッタ間が導通する。また、制御信号ＳＧ１が低レベル（０Ｖ）になり、ＮＰＮトランジスタＴＲ１の入力電圧（ベース−エミッタ間の電圧）が閾値以下になると、ＮＰＮトランジスタＴＲ１がオフになり、ＴＲ１のコレクタ−エミッタ間が非導通になる。

ＮＰＮトランジスタＴＲ１がオンになると、抵抗器Ｒ５、Ｒ６に電流が流れ、抵抗器Ｒ６の端子間に電位差が発生する。この電位差がＰＮＰトランジスタＴＲ２の入力電圧（ベース−エミッタ間の電圧）の閾値（例えば０．６Ｖ）を上回ると、ＰＮＰトランジスタＴＲ２がオンになり、ＰＮＰトランジスタＴＲ２のエミッタ−コレクタ間が導通する。また、前記電位差がＰＮＰトランジスタＴＲ２の入力電圧（ベース−エミッタ間の電圧）の閾値を下回ると、ＰＮＰトランジスタＴＲ２がオフになり、ＰＮＰトランジスタＴＲ２のエミッタ−コレクタ間が非導通になる。

つまり、制御信号ＳＧ１が高レベルになるとＮＰＮトランジスタＴＲ１、ＰＮＰトランジスタＴＲ２が共にオンになり、制御信号ＳＧ１が低レベルになるとＮＰＮトランジスタＴＲ１、ＰＮＰトランジスタＴＲ２が共にオフになる。

ＰＮＰトランジスタＴＲ２がオンになると、電源ライン６１の電位（１２Ｖ：高レベルに相当）が出力回路４０の入力端子４０ｂに印加される。また、ＰＮＰトランジスタＴＲ２がオフになると、出力回路４０の入力端子４０ｂに高電位が印加されなくなる。

出力回路４０の入力端子４０ｂに高電位（１２Ｖ）が印加されると、電界効果型トランジスタＦＥＴ１のゲート−ソース間の電圧がその閾値（例えば０．６Ｖ）を超え、電界効果型トランジスタＦＥＴ１がオンする。また、ＰＮＰトランジスタＴＲ２がオフの時には出力回路４０の入力端子４０ｂに高電位が印加されないので、電界効果型トランジスタＦＥＴ１のゲート−ソース間の電圧がその閾値以下になり電界効果型トランジスタＦＥＴ１がオフする。

従って、シグナル系グランド線６２とパワー系グランド線６３の電位差については、出力回路４０の電界効果型トランジスタＦＥＴ１のスイッチング動作には影響しない。すなわち、電界効果型トランジスタＦＥＴ１をオフからオンに切り替えるときの電位（ＳＧ１の高レベル（約５Ｖ）に対応）は電源ライン６１の電位（１２Ｖ）と同等の電位に変換される。また、電界効果型トランジスタＦＥＴ１をオンからオフに切り替えるときの電位（ＳＧ１の低レベル（約０Ｖ）に対応）は、ＰＮＰトランジスタＴＲ２が非導通のため、パワー系グランド線６３の電位と同等になる。そのため、シグナル系グランド線６２とパワー系グランド線６３の間の直流電位のオフセットとは無関係に、制御信号ＳＧ１のレベルに応じて確実に電界効果型トランジスタＦＥＴ１がオンオフ動作する。

また、制御信号ＳＧ１の高レベル（約５Ｖ）の電位は、制御回路３０に電力を供給する電源ライン６０の電位（５Ｖ）に応じて決まる。一方、電界効果型トランジスタＦＥＴ１をオンするための電位（約１２Ｖ）は電源ライン６１から供給されるので、制御信号ＳＧ１よりも十分に高い電位を出力回路４０の入力端子４０ｂに印加することができる。そのため、前記オフセットが非常に大きくなった場合でも、確実に電界効果型トランジスタＦＥＴ１をオンすることができる。

出力回路４０の電界効果型トランジスタＦＥＴ１がオフの時には、発光ダイオードＬＥＤ１には電流が流れず、電界効果型トランジスタＦＥＴ１がオンになると、電源ライン６１から発光ダイオードＬＥＤ１、抵抗器ＲＬ、電界効果型トランジスタＦＥＴ１を通ってパワー系グランド線６３に電流が流れる。発光ダイオードＬＥＤ１は電流が流れると発光する。

なお、図１に示した自動車用電装機器は、計器板用の照明装置の場合を想定しているが、発光ダイオードＬＥＤ１以外に、例えばランプ、ソレノイド、電気モータなどの負荷の通電をオンオフする出力回路を備える自動車用電装機器に同様に本発明を適用できる。

以上のように、本発明は代表例として長さの長いハーネスなどを用いて配線を行う様々な自動車用電装機器に適用することが想定される。すなわち、配線の電圧降下等の影響によって、シグナル系グランドとパワー系グランドとの直流電位に比較的大きなオフセット（電位差）が生じた場合に、出力回路におけるスイッチングの誤動作を防止するために役立てることができる。

実施の形態における自動車用電装機器の基本的な構成例を示す電気回路図である。 一般的な自動車用電装機器に関する基本的な構成例を示す電気回路図である。 制御信号ＳＧ１の波形及び電位の具体例を示す波形図である。 制御信号ＳＧ１の波形及び電位の具体例を示す波形図である。

符号の説明

１０，３０ 制御回路
２０，４０ 出力回路
４０ａ 出力端子
４０ｂ 入力端子
５０ 変換回路
６０，６１ 電源ライン
６２ シグナル系グランド線
６３ パワー系グランド線
ＴＲ１ ＮＰＮトランジスタ
ＴＲ２ ＰＮＰトランジスタ
ＳＧ１ 制御信号

Claims (3)

1. 負荷への通電を制御するための制御信号を生成する制御回路と、前記制御回路から出力される制御信号に従って負荷への通電をスイッチングする出力回路と、前記制御回路の出力と前記出力回路の入力との間に接続された変換回路と、によって構成され、前記制御回路側のアース端子に現れる第１のアース電位と前記出力回路側のアース端子に現れる第２のアース電位とが独立している自動車用電装機器であって、
   前記変換回路は、制御入力端子が前記制御回路の出力に接続され、前記制御回路の前記第１のアース電位と前記制御信号との電位差に従ってオンオフする第１のスイッチング素子と、制御入力端子が前記第１のスイッチング素子の出力端子と接続され、所定の電源ラインの電位と前記第１のスイッチング素子の出力端子の電位との電位差に従ってオンオフする第２のスイッチング素子とを有し、
   前記第１のスイッチング素子は、トランジスタによって構成され、該第１のスイッチング素子のベース電極が制御回路の出力端子と接続され、該第１のスイッチング素子のエミッタ電極が前記第１のアース電位と同一電位のアース端子に接続され、
   前記第２のスイッチング素子の出力端子が前記出力回路の入力端子に接続されていることを特徴とする自動車用電装機器。
2. 前記制御回路に電力を供給する第１の電源ラインに比べて高い電位が現れる第２の電源ラインに前記第２のスイッチング素子の一端を接続したことを特徴とする請求項１に記載の自動車用電装機器。
3. 前記第１のスイッチング素子、第２のスイッチング素子として互いに種類もしくは極性が異なるスイッチング素子を接続したことを特徴とする請求項１に記載の自動車用電装機器。

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