ウェアラブルやスマートフォンにおけるセンサーの役割について多くの期待が寄せられていますが、消費者はすでに自動車に搭載されたセンサーに囲まれています。これらのセンサーは、運転効率や安全性をチェックし、自動車の状態を報告し、パフォーマンスを最大限に高めるために自動車システムを調整しています。実際、自動車は現在一般的に使用されているシステムの中で最もセンサーを多く備えたシステムの1つです。
そして、それはまだ始まりに過ぎません。それほど遠くない将来、車が運転手として機能し、アクセルペダルやハンドルに触れることなく、障害物を注意深く避け、最も効率的なルートを選択し、ユーザーを楽しませながら目的地まで自動的に運転してくれるようになるでしょう。その状態に到達するために、自動車にはさまざまな新しい感知機能が追加され、それらが連携してインテリジェントな選択と行動を可能にします。
今日の自動車用センサー
今日、自動車はさまざまな機能にセンサーに依存しています。最も一般的に使用されるセンサーには、エアバッグ 加速度計、マニホールド 絶対圧力センサー (MAPS)、 ヨーレートセンサー、 タイヤ空気圧モニターなどがあります。
エアバッグは、1984年以来、乗客の安全のために米国の法律で義務付けられています。現在、エアバッグ システムの大部分は、急減速 (衝突) を検出するために MEMSベースの加速度計 を使用しており、車両によっては、前面、側面、および背面の衝突に対して12個もの加速度計を使用しています。衝突加速度計の主要メーカーには、Analog Devices、Texas Instruments、Freescale Semiconductor、Infineonなどがあります。
米国環境保護庁は、大気汚染を削減し、燃費を最大化するためにMAPセンサーを導入しました。MAPセンサーは吸気マニホールド内の圧力を測定します。これらの測定値は、車載コンピューターによって最適な空気と燃料の混合比を決定するために使用されます。これらのセンサーは、Honeywell、Freescale、EPCOSなどによって製造されています。
ヨーレート センサーは、中心軸の周りの回転速度を測定し、車両の位置を特定するために全地球測位システム (GPS) と組み合わせて使用されます。また、車両が横転し始めたり、制御不能なスリップ状態になったりしたときに、車両の向きを特定するためにも使用されます。Analog Devices、オムロン、村田製作所はいずれも、ロールオーバー、ナビゲーション、車両ダイナミック制御アプリケーション向けにMEMSベースのソリューションを導入しています。
タイヤの空気圧不足は安全上の問題（タイヤの過熱と摩耗、タイヤのパンクの可能性の増加）を引き起こし、燃費も低下させるため、米国道路交通安全局（NHTSA）は1995年モデルからタイヤ空気圧監視システムの導入スケジュールを定めました。この監視システムは、2007年以降、米国で販売される新車に義務付けられています。
今日の一般的なTPMSセンサーは、MEMSを使用してタイヤの空気圧を直接測定します。これは各タイヤのリムに取り付けられ、分析と解釈のために読み取り値を制御モジュールにワイヤレスで送信します。タイヤを交換するたびに新しいセンサーが必要になるわけではありませんが、車両のタイヤのバランス調整と同様に、定期的にセンサーを再調整することが賢明です。
最近、フリースケールはトラックやその他の大型車両向けに設計された FXTH8715 TPMSを発表しました (図1)。このシリーズは、業界最小（7 mm x 7 mm x 2.2 mm）かつ最高精度（±17 kPa）の完全統合型ワイヤレスTPMSと言われています。センサー システムは、単一のQFNパッケージに、圧力センサーと温度センサー、単一軸 (Z軸) または2軸 (X軸とZ軸) の加速度計、RFトランスミッター、125 kHz低周波受信機、SIM、割り込み、デバッグ/モニターを備えた8ビット マイクロコントローラー (S08コア) を統合しています。このシステムは、圧力、温度、加速度データをインテリジェントに収集および送信し、高度な分析を可能にして車両のメンテナンスを改善するだけでなく、TPMSをIoT上の付加価値のあるエンドノードに変換します。
代替燃料用センサー
大手自動車メーカーとその一次サプライヤーは、次世代自動車向けの新しいセンサーベースのアプリケーションに取り組んでいます。主な関心事は、代替燃料車（ディーゼル、ハイブリッド、電気、天然ガス、水素など）用のセンサー、ナビゲーションとパフォーマンス監視の改善、そして最終的には自律運転です。
排出ガス規制の厳格化により、ディーゼル車メーカーは、シリンダー内圧力を測定するセンサーなど、特殊なセンサーを必要とするいくつかの新しいシステムを採用するようになりました。Sensata社はBeru社と共同で、圧電抵抗型ひずみゲージ技術を採用したシリンダー内圧力センサーを開発しました。このセンサーは現在、VWの量産車両に使用されています。オプトランドは光ファイバーセンシングを使用した堅牢なセンサーを開発しており、目標は350℃までの温度に耐えられるセンサーを開発することです。 ° Cで、1パーセントの精度で30,000 psi barまでの圧力で動作します。
さらに、排気後処理アプリケーションでは選択触媒還元 (SCR) システムが使用されます。一般的なSCRシステムには、10個の温度センサー、3個の圧力センサー、および1個の尿素品質センサーを含む14個のセンサーがあります。尿素品質センサーは、必要な尿素濃度と不要な液体の存在をチェックします。
Measurement Specialties (TE Connectivityの子会社) は最近、自動車用途に最適な流体特性センサーFPS2800B12C4を発表しました。エンジン オイル ギャラリーまたは燃料システムに直接取り付けて、品質と潤滑油を監視できます。必要なすべてのセンサーとオンボード マイクロプロセッサを備えた完全統合型モジュールで、一般的な自動車用電圧 (12Vまたは24V) に対応し、腐食性または高圧/高流量環境で使用できる非常に頑丈なパッケージに収められています。モジュールは工場でNIST追跡可能な流体を使用して校正されており、ホスト コントローラーへの接続にはユニバーサルCAN J1939プロトコルを使用します。
図2: TE Connectivityのセンサーは、特許取得済みの音叉技術を使用して、流体の複数の物理的特性を監視し、同時に特性間の動的関係を処理します。
水素燃料電池自動車の重要なコンポーネントはタンク圧力の監視です。American Sensor Technologyは、ピエゾ抵抗ひずみゲージ技術を使用した極限環境圧力センサーを提供しており、水素燃料タンク システムの低圧側では300 psi、高圧側では3,000 psiの形式で利用できます。これらのセンサーは、145℃までの温度で水素媒体の腐食性に耐えることができます。 ° Cと持っている ± 精度は1.0パーセントです。これらのセンサーは現在大型輸送車両に搭載されており、ヨーロッパのメルセデスベンツのレンタル車両でベータテスト中です。
フリースケールセミコンダクタは、電気自動車と従来型自動車向けに、スマートバッテリー監視センサー「 MM912x637 12V鉛電池および14Vリチウムイオン電池と互換性があります。バッテリーの電流、電圧、温度を測定し、そのデータをバッテリー性能アルゴリズムが組み込まれたマイクロコントローラに送信することで、バッテリーの充電状態、健全性状態、機能状態を判断します。また、バッテリーの異常放電や消耗の早期警告も提供します (図3)。
図3: バッテリー ケーブル コネクタ内部に見られるように、FreescaleのMM912x637バッテリー監視センサーは、バッテリーの電流、電圧、温度を測定し、バッテリーの放電と消耗を早期に警告します。(出典: www.electronicproducts.com)
センサーと自律走行車
ダイムラーは昨年1月のコンシューマー・エレクトロニクス・ショーで、メルセデス・ベンツF015コンセプトカーを披露し、アウディは「自動運転」装置を搭載したQ7を実演した。自動運転車を実現するには、幅広い新しいセンサーが必要になります。例えば、アダプティブクルーズコントロールや緊急ブレーキコントロール、車線変更/死角センサー、駐車支援などには、さまざまな種類の測距センサーや画像センサーが必要になります。現在、自動車の安全性を高めるために、いわゆる自動車運転者支援のための多くの技術が検討されています。
そのような測距システムの1つがLeddarです。もともとケベック市の国立光学研究所 (INO) によって発見され、LeddarTechによって開発および商品化されたLeddarは、LEDが生成した光信号の飛行時間と独自のアルゴリズムを使用して、視野内の物体を検出、位置特定、測定します。そのために、非常に短い光パルスを毎秒約10万回送信し、対象領域を積極的に照らします。Leddarの検出エリア上の物体 (固定または移動) から後方散乱された光は、P-I-Nまたはアバランシェフォトダイオード検出器 (またはその他の検出器) で捕捉され、特許取得済みの信号処理IC技術であるLeddarCoreで分析されます。この技術は、物体の位置やその他の属性を正確にマッピングする非常に効率的なアルゴリズムを提供します (図4)。Leddarの特別な利点は、短距離と長距離の両方のパフォーマンスを提供するため、さまざまな運転支援アプリケーションに使用できることです。
図4: LeddarTechのLeddarシステムは、LeddarCore信号処理ハードウェア/ソフトウェア テクノロジーを使用して、光パルスの飛行時間測定により物体の距離やその他の属性を決定します。(出典: www.azosensors.com)
Texas Instrumentsは現在、超音波駐車支援、自動駐車、死角検出などのアプリケーションを開発するためのTIDA-00151リファレンス デザインを提供しています。このモジュールは、車載用超音波センサー用のシステムオンチップ (SoC) センサー インターフェイスICであるTIの PGA450-Q1 を使用しています。SoCは、トランスデューサのエコー信号と、トランスデューサと物体間の距離を計算するためのすべての信号調整と処理を提供します。SoCのMCUとプログラム メモリにより、特定のエンド アプリケーションに合わせて完全に構成できるようになります。
自動運転車向けのナビゲーション システムも、より正確で信頼性の高いものにする必要があります。Qualtré のバルク音響波 (BAW) MEMSジャイロスコープは、このアプリケーションにおいて、精度、衝撃および振動に対する耐性、高周波動作、真空パッケージングなしでの高いQ、スティクション耐性による高い信頼性など、他のMEMSジャイロに比べていくつかの優れたパフォーマンス上の利点を提供します。製造プロセスHARPSSにより、BAWデバイスを信頼性高く大量生産できるようになります。