車載用アプリケーションの厳密さに耐えるセンサソリューション

1995年に約10個のセンサが車載用エンジン制御アプリケーションで使用されていたのは驚くべきことです。 2012年までに、その数は30個を超える数に増加しました。 自動車やトラックのボンネット下におけるセンサの使用は、安全性要件、および動作効率の向上、排出量の削減、そして燃料消費の低減への傾向により盛んになっています。 車載用環境の急成長している一部であるインフォテイメントを加えた、全体の車載用センサ市場は、7.8%の年平均成長率（CAGR）で2022年までに330億5900万ドルに達すると見込まれています。

自動車やトラックにおけるインテリジェントシステムの数が増加し、お客様が快適性、インフォテイメントや燃料効率を求めるにつれて、センサの数と、センサ融合および統合のレベルは急増するでしょう。 MarketsandMarketsが公開した新しい市場調査報告「2012年～2022年における車載用アプリケーション向けのセンサ市場」によると、ユニットに関して、車載用途でのセンサの数は、2012年の29億6500万ユニットから増加して、2022年に89億3000万ユニットに達すると見込まれており、2013年～2022年で11.7%の推定CAGRを表しています。

センサは、エンジン性能、乗客の安全性から、快適性および車両の動的な動作に至るまで、多くの重要な役割を果たしています。 車載用センサの今後の進歩は、MEMS、ワイヤレスセンサ、レーダなどを含む多くのセンサ技術に大いに依存しています。

北米、欧州、日本、中国、および韓国における政府規制は引き続き、受動安全システムから、能動と受動の統合型安全システムに及ぶ安全機能の需要を推進しています。 これらの進展は、運転者を支援し、彼らの安全を維持するために、アプリケーションの成長の背後にあります。 エンジン管理、乗客の快適性、利便性およびエンターテイメント、そして高度な運転者支援システムは、急速に進化しています。 ネットワーキングの使用はまた、さまざまなサブシステムが、車両の内部で、かつ外部デバイスおよびネットワークと通信する中で、増加しています。 車載用センサに対する需要や車載用センサへの信頼は、これまでにないほど大きくなっています。

明らかに、車載用アプリケーションで使用される多くのセンサやセンサベースのシステムがあります。 これらのすべての中で、今日使用されている車載用センサのタイプで特に代表的な3つの特筆すべき部品を選択しました。 これらの部品は、車載用途のために設計された他の部品と同様に、最大の効率、小型化、そして消費電力の大幅な低減のために絶えずアップグレードされ、再設計されていることに留意してください。

Honeywellが提供する内蔵のプルアップ抵抗器を備えたSS360PT/SS460P高感度ラッチングデジタルホール効果センサIC（図1）は、流量検出、速度およびRPM検出、タコメータ、カウンタ用ピックアップなどの車載用および産業用アプリケーションや、モータおよびファン制御向けに使用されています。 このセンサは、永久磁石または電磁石からの磁界を使用して動作し、交互に回転するN極およびS極に反応します。

このプルアップ抵抗器により、外付け部品が不要となり、コストを削減することができます。


図1：HoneywellのSS350PT/SS460P高感度ラッチングデジタルホール効果センサのブロック図。

このセンサICは、ホール素子でチョッパー安定化を使用せず、チョッパー安定化を使用する競合の高感度ホール効果バイポーララッチングセンサICと比べると、クリーンな出力信号およびより高速の応答時間を提供します。

SS350PT/SS460Pは、25°C（77°F）でわずか30ガウス（標準）で動作し、-40°C～125°C（-40°F～257°F）の全温度範囲で55ガウス（最大）で動作することにより、小さい磁石やより広いエアギャップの使用が可能です。 その内部プルアップホールICは、部品コスト低減を維持し、取り付けを簡素化し、バイポーララッチング磁気製品は、正確な速度検出とRPM測定を提供します。 それは堅牢な設計を特長としており、そのRoHS対応材料は、指令2002/95に適合しています。

MEMSICのMXR7900A/C/D（図2）は、レシオメトリック出力付きの低コスト、高性能、±1.0gデュアル軸加速度センサで、単一のCMOS ICで作製されています。 この製品は、900mV/gの感度で加速度を測定し、電源電圧の50%でゼロg点より上/下のg比例したレシオメトリックアナログ出力を提供します。

このユニークな設計は、熱対流に基づいており、固体のプルーフマスを一切必要としないため、競合デバイスに関連する一般的な問題を排除することができます。 シリコンチップの中央にある単一の熱源は、空洞にわたって吊るされています。 等間隔で配置されたアルミ/ポリシリコンサーモパイル（熱電対群）は、熱源のすべての4辺（デュアル軸）に等距離に配置されます。 ゼロの加速度下で、温度勾配は、すべての4つのサーモパイルで温度が同じになるように、熱源に関して対称であるため、サーモパイルが同じ電圧を出力します。

自由対流の熱伝達により、すべての方向での加速度は温度プロファイルを乱すため、温度プロファイルは非対称となります。 その温度、したがって4つのサーモパイルの電圧出力は異なってきます。 サーモパイル出力での差動電圧は、加速度に正比例します。 MXR7900A/C/Dには、2つの同じ加速度信号経路があります。これらの2つの信号経路のうち、1つは、x軸での加速度を測定するための経路で、もう1つは、y軸での加速度を測定するための経路です。


図2：MEMSICのMXR7900Cは、車載用ロールオーバーアプリケーションで使用されます。

この製品は、振動などの動的加速度、および重力などの静的加速度の両方を測定することができます。 この製品はまた、50,000gよりも大きい衝撃に耐えることができます。 このデバイスは、アセンブリ中かつフィールドでの取り扱いにより、故障率の大幅な低減、および損失の低減を確保します。 車載用アプリケーション向けに、この製品は、ロールオーバーセンシング、VSC/EPSアプリケーション向けに使用されます。

他の特長には、次のようなものがあります。

• 混合モードの信号処理を持つモノリシック設計
• RoHS対応
• 温度変動に対するオンチップ感度補償
• 必要に応じた自己テスト
• 900mV/gの感度
• 独立した軸のプログラミング機能（オプション）
• 1mgより良好な分解能
• 帯域幅：19Hz
• 耐衝撃性定格：>50,000g
• 4.50～5.25Vの単一電源動作
• 5 x 5 x 2mmでの小型面実装パッケージ

もう1つの主要な例として、STMicroelectronicsが提供するAIS329DQがあります。この製品は、車載用アプリケーション向けの高性能、超低電力3軸加速度センサで、デジタル出力を備えています（図3）。


図3：STMicroelectronicsのAIS329DQ加速度センサは、車載用設計内で多くの機能を実行します。

特長には、2.4V～3.6Vの広い電源電圧範囲、低電圧対応IO（1.8V）、消費電流が10μAまで低くなった超低電力モード、±2g/±4g/±8gの動的に選択可能なフルスケール、SPI / I²Cデジタル出力インターフェース、16ビットデータ出力、2つの独立したプログラム可能割り込み発生器、システムスリープ/ウェイクアップ機能、および（10,000gの）高い耐衝撃性があります。

AIS328DQは、0.5Hz～1kHzの出力データレートで加速度を測定することができます。 AIS328DQはまた、より低いデータレートのリフレッシュによって特徴付けられる低電力動作モードに設定することができます。 このように、このデバイスはスリープ中であっても、加速度の検出や、割り込み要求の生成を継続します。

このデバイスの超低電力動作モードにより、高度な省電力、およびスリープからウェイクアップするスマート機能が実現します。 このスリープからのウェイクアップ機能がアクティブ化されている時、AIS328DQは、割り込みイベントが検出されるとすぐに自動的にウェイクアップできるため、出力データレートおよび帯域幅を増加することができます。

AIS328DQはまた、有効化された軸に沿ってプログラムされた加速度イベントに基づいて、慣性のウェイクアップや自由落下割り込み信号を生成するように設定できます。 自由落下とウェイクアップの両方は、2つの異なるピンで同時に利用可能です。

自己テスト機能により、最終アプリケーションのセンサ機能をチェックすることができます。 4 x 4mmのフットプリントを備えた小型クワッドフラットパックノーリードパッケージ（QFPN）で入手可能なAIS328DQは、アプリケーション小型化への傾向に応え、-40～+105°Cの温度範囲での動作が保証されています。

この加速度センサは、インダッシュカーナビゲーション、チルト/傾斜測定、盗難防止デバイス、インテリジェント省電力、衝撃認識およびロギング、振動監視および補償、そしてモーションアクティブ化機能などのアプリケーションで使用されます。

自動車産業は、センサ開発またはアプリケーションに関わる技術者にとって興味深いものとなるばかりでしょう。 安全性の理由や利便性のため、人的要素が低減され、より多くのことが、非常にインテリジェントで意識の高いセンサベースシステムに委ねられています。 この記事で扱っている部品の詳細については、このページにあるリンクを使用して、DigiKeyウェブサイトの製品情報ページにアクセスしてください。