JP6499520B2 - 複数の微小信号が入力される電子装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子装置に関し、特に、センサ等からの複数の微小信号が入力されて動作する電子装置に関する。

例えば自動車におけるエンジン制御を行う電子制御装置（ＥＣＵ、Electronic Control Unit）では、エンジン回転数、クランク角、吸気量、空気温、大気圧等々の様々な検知信号に基づいて、制御対象である燃料噴射用アクチュエータ等の負荷が制御される。これらの検知信号は、それぞれ異なるセンサから出力されて電子制御装置に入力され、当該電子制御装置では、例えばこれらのセンサ入力をそれぞれＡＤコンバータによりデジタル信号に変換した後、所定の演算処理を施し、当該演算処理の結果として得られたデジタル信号をＤＡコンバータによりアナログ信号に変換し、当該アナログ信号に基づいて、負荷駆動回路により負荷を駆動する。

この場合、負荷制御を正しく行うために、上記のような複数の検知信号の全てが、それぞれの検知対象の状態を正しく伝えるものでなければならず、一つでも誤った信号が入力されれば負荷を正しく制御することはできない。例えば、検知信号を出力する各センサのグランド電位がＡＤコンバータのアナロググランド端子の電位と異なってしまった場合には、当該ＡＤコンバータはこれらセンサからの検知信号を正しく受信することはできず、ＡＤ変換後のデジタル信号（又はデジタル値）は、これらセンサの各検知対象の状態を正しく反映したものにはならない。

従来、このような、微小アナログ信号とデジタル信号とを処理する電子装置においては、電子回路を構成する回路部品が搭載される回路基板において、アナログ信号用グランドのパターンとデジタル信号用グランドのパターンとが分けて形成され、それぞれが、ストリップ状（線状）パターンではなく、いわゆるベタパターン（広がりを持った面状パターン）で構成されると共に、アナログ信号用グランドパターンとデジタル信号用グランドパターンとの間は、所定の限られた部分でのみ局所的に接続される構成となっている。これにより、各グランドパターンは、ベタパターンにより当該パターンのインピーダンスが下がることで当該パターン内での局所的な電位変動が防止されて不均一な電位分布の発生が抑制される一方、アナログ信号用グランドパターンとデジタル信号用グランドパターンとの間は、上記限られた部分の局所的な接続によってインピーダンスを或る程度高くすることで、一方のグランドパターンでの電位変動が他方のグランドパターンに与える影響が低減される。

そして、一般的には、複数のセンサのそれぞれのグランド端子と、例えばＡＤコンバータのアナロググランド端子とを、上記回路基板上のアナログ信号用グランドパターンを構成するベタパターンの任意の位置に接続することで、当該ベタパターンを介して複数のセンサのそれぞれのグランド端子の電位と当該ＡＤコンバータのアナロググランド端子の電位とを等しくして、各センサからの検知信号を正しくデジタル値に変換できるようにしている。

しかしながら、検知対象の状態を極めて高い精度で検出しなければならない場合には、アナログ信号用グランドパターンにおける僅かな局所的電位変動であっても、ＡＤコンバータがセンサから受信する検知信号の受信精度が低下し、制御誤差を誘発する結果となり得る。このような僅かな局所的な電位変動は、例えば、グランドパターン間の局所的な接続を介して発生するほか、デジタル処理の高速化に伴って容易に発生し得ることとなったデジタル信号用グランドパターンからの輻射雑音が自装置筐体内を伝搬してアナログ信号用グランドパターンに達することによっても発生し得る。

また、このようなグランドパターン内の局所的な電位変動は、例えば自動車のエンジンルーム内等の大きな輻射雑音を生ずる環境内に搭載された電子装置においては、自装置筐体の外部から到来する外来輻射雑音によっても生じ、更には、ソレノイドアクチュエータ等の大電流及び又は大電圧を要する負荷を制御する電子装置においては、自装置筐体の内部に搭載された回路部品（例えば、スイッチング回路や負荷駆動回路を構成する部品）から生ずる雑音によっても生じ得る。

上記背景より、センサ等の複数の微小信号又はアナログ小信号が入力される電子装置において、各アナログ小信号入力に対し基準電位となるグランド電位を共通に保って安定な動作を実現することが望まれている。

本発明の一の態様は、電子回路が搭載された回路基板を有し、複数のアナログ信号が入力されて動作する電子装置であって、前記回路基板には、少なくとも信号の種類毎にその基準電位を与える複数のグランドパターンが形成されており、前記回路基板上には、前記入力された複数のアナログ信号が入力される回路部品が搭載されており、当該回路部品のアナログ信号用グランド端子は、前記複数のグランドパターンの一つに接続され、前記入力された複数のアナログ信号のそれぞれのグランドラインは、電気部品を介することなく、且つ前記複数のグランドパターンのいずれをも経由することなく、前記回路部品の前記アナログ信号用グランド端子に接続されている、電子装置である。
本発明の他の態様によると、前記入力された複数のアナログ信号のそれぞれの前記グランドラインは、前記回路基板上に形成された線状導体パターンを介して、前記回路部品の前記アナログ信号用グランド端子に接続されている。
本発明の他の態様によると、前記複数のグランドパターンは、前記回路基板上においては、相互に電気的に絶縁されているか、又は局所部分において互いに直流的に接続されている。
本発明の他の態様によると、前記回路部品は、ＡＤ変換回路、又はＡＤ変換回路が他のデジタル回路と共に集積されたＩＣである。
本発明の他の態様によると、前記複数のアナログ信号は、それぞれ、センサから供給される検知信号である。
本発明の他の態様によると、前記電子装置は、車両に搭載されて当該車両の動作を制御する電子制御装置である。

本発明の一実施形態に係る電子装置の構成を示す図である。 図１に示す電子装置と他の装置との接続の例を示す図である。 図１に示す電子装置に用いられる回路基板の構成を示す図である。 図３に示す回路基板の部分詳細図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。本発明の実施形態としてここに示した電子装置は、例えば車両に搭載されて当該車両の少なくとも一つの動作を制御する電子制御装置である。ただし、本電子装置の構成は、これに限らず、他の用途を含め、広く一般に用いられている電子装置に同様に適用することができる。なお、以下の説明において「接続」とは、特にことわりのない限り、電気的に直流的に接続されていることを言うものとする。

図１は、本発明の一実施形態に係る電子装置の構成を示す図である。図１（ａ）は本電子装置の正面図、図１（ｂ）は上面図、図１（ｃ）はＡＡ断面矢視図である。
本電子装置１０は、ケース１００ａとカバー１００ｂとがネジ１０２ａ〜１０２ｄにより固定されて構成される筐体１００と、筐体１００内に収容された回路基板１０４と、を備える。回路基板１０４は、回路部品１０６を含む複数の電気回路部品が搭載されて電子回路を構成している。また、回路基板１０４には、当該回路基板１０４が構成する電子回路を外部の装置やデバイスに接続するためのコネクタ１０８が、筐体１００から外部へ突き出た状態となるように搭載されている。

本実施形態では、回路部品１０６は、アナログ信号とデジタル信号とをその内部で処理するように構成されたＩＣ（半導体集積回路、Integrated Circuits）であり、例えばＡＤコンバータや、ＡＤコンバータと共に他のデジタル回路（例えばプロセッサ）が集積されたＩＣ（シグナルプロセッサや、マイクロコンピュータ等）である。回路部品１０６は、その内部において処理するアナログ信号のための基準グランド電位が入力されるアナロググランド（ＡＧＮＤ）端子１１０と、その内部において処理するデジタル信号のための基準グランド電位が入力されるデジタルグランド（ＤＧＮＤ）端子１１２と、を備える。

アナロググランド端子１１０に与えられたグランド電位は、例えば回路部品１０６内部に集積されたＡＤコンバータの、アナログ信号入力の基準グランド電位として用いられる。なお、回路部品１０６は、電源端子や、アナログ信号及びデジタル信号をそれぞれ入力及び又は出力するためのその他の信号端子が設けられ得るが、本実施形態の説明には不要であるので、これらの他の信号端子についての図示及び記述は省略する。

図２は、電子装置１０と他装置との接続の一例を示す図であり、例えば電子装置１０は、電源装置２００と、例えば４つのセンサ２０２、２０４、２０６、２０８と、これらのセンサ２０２〜２０８からの信号に基づいて制御される制御対象又は負荷であるアクチュエータ２１０とが、コネクタ１０８を介して接続される。ここで、センサ２０２〜２０８は、例えばエンジン回転数、クランク角、吸気量、空気温、大気圧等々を検知するためのセンサであり、アクチュエータ２１０は、例えばエンジンの吸気弁や燃料噴射弁を開閉するアクチュエータである。

図３は、回路基板１０４の構成の一例を示す図である。図３には、各種のグランドパターンが形成された回路基板１０４の裏面（従って、図３における右側が図１（ｂ）における左側に対応する）が、コネクタ１０８と共に示されている。回路基板１０４には、当該回路基板１０４上に構成される電子回路が扱うアナログ小信号の基準グランド電位を与えるためのシグナルグランド（ＳＧ、Signal Ground）パターン３００と、デジタル信号の基準グランド電位を与えるためのロジックグランド（ＬＧ、Logic Ground）パターン３０２と、例えばアクチュエータ２１０を駆動するための大電圧又は大電流信号の基準グランド電位を与えるパワーグランド（ＰＧ、Power Ground）パターン３０４と、が形成されている。

ＳＧパターン３００は、コネクタ１０８の３本の端子３０６を介して外部の電源装置２００のグランド端子（不図示）に接続されており、同様に、ＬＧパターン３０２及びＰＧパターン３０４は、それぞれコネクタ１０８の端子３０８及び３１０を介して外部の電源装置２００のグランド端子に接続されている。また、コネクタ１０８の近傍において、ＳＧパターン３００とＬＧパターン３０２とは接続パターン３１２により互いに接続され、ＬＧパターン３０２とＰＧパターン３０４とは接続パターン３１４により互いに接続されている。

これらの接続パターン３１２、３１４によりＳＧパターン３００、ＬＧパターン３０２、及びＰＧパターン３０４の電位が、直流的にはほぼ同電位に保たれている。なお、本実施形態では、単一の電源装置２００で動作するため、ＳＧパターン３００、ＬＧパターン３０２、及びＰＧパターン３０４は、少なくとも電源装置２００のグランド端子（不図示）において互いに接続されることとなるので、接続パターン３１２、３１４は必ずしも必要ないが、複数の電源装置が接続されて動作する電子装置の場合には、接続パターン３１２、３１４のような複数のグランドパターン間の接続が必要となる。

回路基板１０４のオモテ面に搭載された回路部品１０６のデジタルグランド端子１１２は、ビア３１６を介してＬＧパターン３０２に接続されており、これにより当該デジタルグランド端子１１２にデジタル信号のための基準グランド電位がＬＧパターン３０２から与えられる。

また、回路部品１０６のアナロググランド端子１１０は、ビア３１８を介してランドパターン３２０と接続されている。当該ランドパターン３２０は図示左右の辺がＳＧパターン３００と接続されており、これによりアナロググランド端子１１０にはアナログ小信号のための基準グランド電位がＳＧパターン３００から与えられる。

さらに、複数のセンサ２０２〜２０８（図２）からのグランドラインは、それぞれコネクタ１０８の端子３３０、３３２、３３４、３３６を介して、アナログ小信号のための基準グランド電位が与えられる。ここで、従来技術においては、端子３３０、３３２、３３４、３３６は、例えば直近のＳＧパターン３００上の部分に接続されるだけである。これに対し、本実施形態では、複数のセンサ２０２〜２０８からのグランドラインを、ＳＧパターン３００を介することなく、回路部品１０６のアナロググランド端子１１０が接続されたランドパターン３１６に接続する、

図４は、複数のセンサ２０２〜２０８からのグランドラインがそれぞれ接続されたコネクタ１０８の端子３３０、３３２、３３４、３３６と、回路部品１０６のアナロググランドパターン１１０と、の接続を示す部分詳細図である。端子３３０、３３２、３３４、３３６は、ＳＧパターン３００を介することなく、それぞれ４本の線状（ストリップ）パターン４００、４０２、４０４、４０６を介して、回路部品１０６のアナロググランド１１０が接続されたランドパターン３２０に接続される。

これにより、外来輻射雑音や自装置内部で発生する雑音等によってランドパターン３２０近傍のＳＧパターン３００の部分に局所的な電位変動が生じたとしても、複数のセンサ２０２〜２０８は全て、ランドパターン３２０を介してアナロググランド端子１１０と同じグランド電位を基準として動作することができ、且つ、回路部品１０６は、当該グランド電位を共通の基準電位としてセンサ２０２〜２０８からの検知信号を精度良く受信することができるので、電子装置１０は、外来輻射雑音や自装置内部で発生する雑音等によってＳＧパターン３００上に誘起される局所的な電位変動があったとしても安定に動作して、例えばアクチュエータ２１０等の負荷を精度良く制御することができる。

なお、複数のセンサ２０２〜２０８のグランドラインがそれぞれ接続された端子３３０〜３３６と、アナロググランド端子１１０が接続されたランドパターン３２０とを接続する線状パターン４００〜４０６は、端子３３０〜３３６とアナロググランド端子１１０とを接続するための専用ラインとして、他の回路部品のグランド端子が接続されないように構成されることが望ましい。

また、本実施形態では、４つの線状パターン４００〜４０６は、それぞれ分離したまま、端子３３０〜３３６からランドパターン３２０に至る構成としたが、これに限らず、４つの線状パターン４００〜４０６は、ランドパターン３２０に至るまでの間に互いに接続されて、１本の又は複数の線状パターンとなってランドパターン３２０に接続されるものとしてもよい。

また、本実施形態では、回路基板１０４の裏面にグランドパターン３００〜３０４が形成されるものとしたが、これに限らず、グランドパターン３００〜３０４は、例えば多層に構成された回路基板１０４の内層に形成されるものとすることができる。

また、本実施形態は、外部のセンサから複数の検知信号が入力される電子制御装置であるが、上記の回路基板１０４の構成は、例えば他装置から複数のアナログ小信号が入力されて動作する、制御装置以外の一般の電子装置においても、同様に適用することができる。

以上、説明したように、本実施形態の電子装置１０は、入力された複数のセンサ２０２〜２０８の検知信号（アナログ小信号）のそれぞれのグランドラインが、回路基板１０４上に形成された複数のグランドパターン３００〜３０４のいずれをも経由することなく、回路部品１０６のアナロググランド端子１１０に接続されるため、グランドパターン３００〜３０４において生じ得る不均一な電位分布の影響を受けることなく、アナロググランド端子１１０と同じ電位を基準電位として、入力された複数のアナログ信号を精度良く受信して、電子装置１０としての安定な動作を実現することができる。

１０・・・電子装置、１００・・・筐体、１００ａ・・・ケース、１００ｂ・・・カバー、１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、１０２ｄ・・・ネジ、１０４・・・回路基板、１０６・・・回路部品、１０８・・・コネクタ、１１０・・・アナロググランド端子、１１２・・・デジタルグランド端子、２００・・・電源装置、２０２、２０４、２０６、２０８・・・センサ、２１０・・・アクチュエータ、３００・・・ＳＧパターン、３０２・・・ＬＧパターン、３０４・・・ＰＧパターン、３０６、３０８、３１０、３３０、３３２、３３４、３３６・・・端子、３１２、３１４・・・接続パターン、３１６、３１８・・・ビア、３２０・・・ランドパターン、４００、４０２、４０４、４０６・・・線状パターン。

Claims (6)

1. 電子回路が搭載された回路基板を有し、複数のアナログ信号が入力されて動作する電子装置であって、
   前記回路基板には、少なくとも信号の種類毎にその基準電位を与える複数のグランドパターンが形成されており、
   前記回路基板上には、前記入力された複数のアナログ信号が入力される回路部品が搭載されており、当該回路部品のアナログ信号用グランド端子は、前記複数のグランドパターンの一つに接続され、
   前記入力された複数のアナログ信号のそれぞれのグランドラインは、電気部品を介することなく、且つ前記複数のグランドパターンのいずれをも経由することなく、前記回路部品の前記アナログ信号用グランド端子に接続されている、
   電子装置。
2. 前記入力された複数のアナログ信号のそれぞれの前記グランドラインは、前記回路基板上に形成された線状導体パターンを介して、前記回路部品の前記アナログ信号用グランド端子に接続されている、
   請求項１に記載の電子装置。
3. 前記複数のグランドパターンは、前記回路基板上においては、相互に電気的に絶縁されているか、又は局所部分において互いに直流的に接続されている、
   請求項１又は２に記載の電子装置。
4. 前記回路部品は、ＡＤ変換回路、又はＡＤ変換回路が他のデジタル回路と共に集積されたＩＣである、
   請求項１ないし３のいずれか一項に記載の電子装置。
5. 前記複数のアナログ信号は、それぞれ、センサから供給される検知信号である、
   請求項１ないし４に記載の電子装置。
6. 前記電子装置は、車両に搭載されて当該車両の動作を制御する電子制御装置である、
   請求項１ないし５のいずれか一項に記載の電子装置。

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