車載用センサの分類

車載センサは、最近の自動車の円滑な動作に不可欠です。これらのセンサは、安全性、効率性、パフォーマンスが最大化されるように、さまざまな車両パラメータに関する情報を電子制御ユニット (ECU) に提供します。物理量を電気インパルスに変換することによってこれを行います。これらのセンサは、主に2つのカテゴリに分類できます。1つ目は、測定する物理的特性による分類、2つ目は、使用する基盤技術による分類です。

物理的特性に基づく分類

車載センサは、車両の機能に不可欠なさまざまな物理的特性を測定するために作られています。物理的特徴による注目すべき区分は次のとおりです。

圧力センサ: これらの装置は、空気、燃料、オイルなど、車内のさまざまな液体の圧力を識別して測定します。これらは、理想的な機能のために圧力が所定の制限内に維持されるようにするもので、燃料噴射システムやブレーキシステムで頻繁に使用されます。これらは、差圧検知理論または絶対圧検知理論のいずれかに基づいています。

温度センサ: エンジン管理に不可欠な温度センサは、エンジンの冷却水、オイル、空気の温度をモニタします。これにより、起こり得る危害が回避され、エンジンが安全な温度範囲内で動作することが保証されます。さらに、すべてのパワーエレクトロニクスコントローラには温度センサが組み込まれているため、温度が安全限度を超えた場合には、電力を低下させたり、電源をオフにしたりすることができます。

位置センサ: これらのセンサは、さまざまな部品の位置を特定します。例としては、エンジンのタイミングを助けるカムシャフト / クランクシャフト位置センサや、内燃エンジンのスロットルの位置を感知するスロットル位置センサ (TPS) などがあります。

スピードセンサ: これらのセンサは、車輪と軸の回転速度を検出し、アンチロックブレーキシステム (ABS) やトランスミッションコントロール ユニット (TCU) で頻繁に使用されます。この情報により、ECUは、たとえば、ブレーキをかけているときに車輪がロックするのを防ぐためにリアルタイムで変更を加えることができます。

レベルセンサ: これらのセンサは、エンジンオイル サンプポンプ、ブレーキフルードリザーバー、ガソリンタンクなど、さまざまなリザーバー内の液面を監視します。

技術に基づく分類

技術の進歩により、センサがこれらの物理的属性を識別して定量化する方法が拡大しました。

静電容量センサ: 物理量が変化すると、静電容量の変化に基づいて動作します。たとえば、静電容量式近接センサでは、物体が近づくと静電容量が変化し、それが検出されます。特定の液面レベルセンサは、液体の静電容量に依存します。

超音波センサ: これらのセンサは超音波を発生し、主に駐車支援や障害物検知に利用されます。センサは、障害物に当たって情報を受信した後、波が反射して戻ってくるまでの時間を測定して距離を測定します。

赤外線センサ: これらのセンサは赤外線スペクトルを使用して障害物を検出し、特に暗い場所での暗視を提供します。

圧電センサ: これらのセンサは機械的ストレスに反応して電圧を生成します。エンジンのノックセンサはこの機能を使用して、エンジンノックまたはピンギングを識別します。

ホール効果センサ: これらのセンサはホール効果の原理に基づいて動作し、磁場を検出でき、特にカムシャフトとクランクシャフトの位置の検出によく使用されます。

抗型センサ: 温度センサなど、抵抗が温度に反比例して変化するこれらのセンサは、検出した物理量に応じて抵抗が変化します。

車載センサの分類により、自動車が依存するさまざまな物理的特性と技術が明らかになります。これらの部門は、現代の自動車のスムーズな走行を維持するためのセンサの必要性を強調すると同時に、これらの自動車の本質的な複雑さにも光を当てています。

車載システムにおけるセンサのアプリケーション

自動車市場におけるセンサの使用は、単なる技術の進歩の結果ではなく、自動車の性能、安全性、効率性の向上を実現するための重要な進歩です。最近の自動車には多くのセンサが搭載されており、それぞれに特定の目的があります。さまざまな車載アプリケーションでセンサが果たす重要な役割については、次のセクションで説明します。

エンジン管理と制御

エンジン管理システムの中核部品はセンサであり、最高のパフォーマンス、燃費、排出ガス制御を実現します。

燃料/空気混合制御: 排気システム内に設置された酸素センサを使用して排気ガス中の酸素の量を測定することにより、エンジン制御モジュールは燃料と空気の混合比を変更して、可能な限り最適な燃焼を実現できます。

点火時期: クランクシャフトとカムシャフトの位置センサは、エンジンの位相と速度を確立するのに役立ちます。この情報は、エンジン制御ユニット (ECU) が燃焼のための火花のタイミングを正確に計るのに役立ちます。

冷却システム: 温度センサはエンジンの冷却水温度をモニタします。温度が定義されたしきい値を超えると、ECUは冷却ファンの機能を変更したり、過熱の可能性がある問題を運転者に伝えたりすることができます。

ターボチャージャ制御: 圧力センサはターボチャージャ付きエンジンで使用され、ブースト圧力をモニタし、それがエンジン用に設定された安全な動作パラメータ内に維持されるようにします。

安全システム

安全性は車両設計の基本であり、センサは数多くの安全性向上システムで重要な役割を果たします。

エアバッグの展開: 加速度計は衝突の急速な減速特性を検出します。センサはエアバッグ制御ユニットに警告を発し、エアバッグを起動します。これにより、大きな事故が発生した場合に乗員を保護し、負傷の可能性を低減します。

アンチロックブレーキシステム (ABS): ホイールスピードセンサは、アンチロックブレーキシステム (ABS) 内の各ホイールの回転速度を常に追跡します。ABSは、車輪のロックアップが起こりそうなことを感知するとブレーキ圧を調整して、ホイールロックアップを防ぎ、ステアリング制御を維持します。

トラクションコントロールシステム: このシステムは、車輪速度センサを使用して、1つ以上の車輪がグリップを失ったことを検出します。トラクションを取り戻すために、ECUはエンジン出力を下げたり、特定の車輪にブレーキ力を加えたりすることができます。

衝突センサ: これらは、衝突の際にすべての高電圧部品を確実に活動停止にするため、バッテリー電気自動車 (BEV) にとって特に重要です。これは衝突センサ回路によって実現され、衝突の際に高電圧部品が予想する衝突信号の状態を変更し、衝突や車両の損傷によって人がアクセスできるようになった可能性のある回路の電源が確実に切断されるようにします。

運転支援システム

技術の進歩により、自動車は今、さまざまなセンサを搭載し、運転体験をサポートし向上します。

駐車支援: これは、近くの障害物を識別するために車の周囲全体に設置された超音波センサによって提供されます。これらのセンサは、物体までの距離に関する情報を運転者に提供することで、狭い場所での駐車を容易にします。

車線維持支援: 道路脇の車線マーカは光学センサまたは赤外線センサによって検出されます。システムの高度さに応じて、信号なしで不注意な車線逸脱を検知した場合に運転者に警告したり、修正措置を講じたりすることもあります。

アダプティブクルーズコントロール: この技術は、レーダまたはLIDARセンサを使用して、前方の車両との安全な車間距離を維持します。この機構は、前方の車が減速すると、所定の車間距離を保つために自動的に速度を落とします。

死角検知: このシステムは、通常はレーダや超音波センサを使用して、死角にある車両を運転者に警告することで、側面衝突事故の可能性を低減します。

最近の自動車は本質的に相互接続されたシステムのシンフォニーであり、それぞれのシステムが全体的な運転体験に貢献しています。車の「目と耳」として、センサは車の周囲と内部システムから継続的に情報を収集します。高度な制御アルゴリズムとこのデータが豊富な環境により、より安全で、より効果的で、より楽しい運転体験が可能になります。

主な仕様と性能基準

センサは現代の車両システムに不可欠な部分です。ただし、これらのセンサがタスクに役立つためには、特定のパフォーマンス要件を満たす必要があります。これにより、車両システムの安全かつ効率的な動作が保証されます。このパートでは、車載センサの基本的な要件とパフォーマンスベンチマークを検討します。

精度と分解能

精度: これは、センサの読み取り値が実際の値とどの程度一致するかを示します。たとえば、実際の温度の0.5°C以内の精度を持つ温度センサは、2°Cの誤差がある可能性のある温度センサよりも信頼性が高くなります。車載システムは精密である必要があるため、高い精度が非常に重要です。

分解能: 関連する出力信号を顕著に変化させる測定対象の量の最小の変化をこのように呼びます。たとえば、圧力センサが0.01psiという小さな変化を測定できる場合、そのセンサは0.01psiの分解能を持つと言われます。より高分解能のセンサにより、測定値のより細かい違いを検出できます。これは、包括的なフィードバックを必要とするシステムにとって不可欠です。

感度と範囲

感度: これは、入力または測定される量の変化に対するセンサの応答、または出力の変化として定義されます。高感度センサは、非常に小さな入力の変化でも顕著な出力変化を生み出すため、微妙な変化を検出する必要がある状況に適しています。

範囲: センサが測定できる物理量とその最小値および最大値が表示されます。車載センサの範囲は、自動車が経験する可能性のあるあらゆる動作状況に対応できるほど十分に広くなければなりません。

環境への配慮

温度安定性: 車はさまざまな条件で動作するため、センサは広い温度範囲にわたって正確かつ一貫して機能できる必要があります。センサの温度許容範囲を考慮するために、電子モジュールとそのセンサは、製造プロセス中にさまざまな温度で頻繁に較正されます。

汚染物質に対する耐性: 寿命と信頼性の高い動作を保証するために、車載センサは、接触する可能性のある燃料、油、ほこり、湿気、その他の汚染物質に対して耐性が必要です。

耐振動性: 特に起伏の多い地形では、車は大きな振動や衝撃を引き起こす可能性があります。一定の読み取りを行うには、センサがこれらの振動の影響を受けないようにする必要があります。

センサの公差

センサ誤差の種類

• オフセット誤差: センサデータに注入される継続的な不正確さ
• ゲイン誤差: 入力信号に比例する誤差をゲイン誤差と呼びます
• ドリフト誤差: 時間の経過とともに徐々に変化する誤差
• ランダム誤差: 通常、センサ回路のノイズを示すランダム誤差には明確なパターンがありません
• 量子化誤差: この種の誤差は、センサの分解能が制限されているために発生します

故障診断

安全性とパフォーマンスは、センサがいつ、なぜ故障するかを把握することにかかっています。最近の車載システムには、センサの状態とパフォーマンスを監視するための自己診断機能が組み込まれています。車載センサの大部分には、車両システムが簡単に理解できる既知の問題状態も組み込まれています。以下に、センサで見つかった統合された障害状態の例をいくつか示します。

• 5V出力センサ: センサ内で問題が発生し、読み取り値が信頼できる物理値と一致しない場合、5ボルトの出力電圧範囲を持つセンサは、下限電圧帯域 (0.5V未満) と上限電圧帯域 (4.5V以上) を頻繁に使用します。
• デジタル温度センサ: 高い安全定格の温度センサは、チップ内部に問題が発生したことを示すために、-200°Cなどの誤った信じ難い温度値を頻繁に表示します。

故障の検出

• 冗長性: 複数のセンサを利用して単一の測定を行います。1つのセンサの値が他のセンサと異なる場合は、誤動作が疑われます。
• 自己テストメカニズム: 既知の信号を生成し、反応を追跡するために、最新のセンサにはセルフテスト機能が備わっています。
• 妥当性チェック: 妥当性のチェックでは、センサ出力を確立された物理モデルと比較して、一貫性があることを確認します。たとえば、速度センサによって報告された車両の車輪速度が、指定された条件下では過剰であり、不合理であることを認識します。

車載センサの性能基準と仕様では、精度、堅牢性、信頼性の必要性が重視されています。自動車がより高度化し、安全性がより重要になるにつれて、これらの性能基準は将来の自動車工学の発展に大きな影響を与えるでしょう。