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ticles
パワートレイン用高精度センサーの展開
Developments in Precision Power Train Sensors
環境・安全・情報でグローバル社会に貢献するオートモテ
ィブシステム技術
feature articles
半沢
恵二 田代
忍
Hanzawa Keiji Tashiro Shinobu星加
浩昭 松本
昌大
Hoshika Hiroaki Matsumoto Masahiro地球環境改善と高騰する石油価格への適応のため，自動車用パ ワートレインに求められる燃費性能やクリーン性能が厳しさを増して いる。また，排ガスや燃費性能の評価も，より実走行環境に近い 温度・湿度を加味した環境条件を配慮する方向へと考え方が変化 している。 さらに，ハイブリッド車などのパワートレイン電動化と，内燃機関自 体の高効率運転化によってアトキンソンサイクル運転などセンサーに とって厳しいエンジン運転モードが多用されるようになっている。 日立オートモティブシステムズ株式会社は，従来よりもセンサーの精 度を高めることによって，進化を続けるパワートレイン制御を支えて いる。 1. はじめに 日立オートモティブシステムズ株式会社は，自動車の 「走る」，「曲がる」，「止まる」という動作に関するさまざま なシステムを世界の顧客へ供給している。これらのシステ ムには多種多様なセンサーが使用されており，パワートレ インの状況，車体の動き，さらには車両外部の状況も把握 しながら，常に安全・快適で地球環境に配慮したカーライ フを実現している（図1参照）。 ここでは，近年急速に低燃費化，電動化した自動車パ ワートレインで使用されるセンサーの高精度化の動向とし て， 吸 気 脈 動 の 誤 差 を 低 減 し た
MEMS
（Micro Electro
MAPセンサー ブースト圧 センサー T-MAPセンサー 中高圧 センサー エアフロー センサー 多機能エアフローセンサー ブレーキブースター 圧力センサー スピードセンサー ストロークセンサー 絶対速度センサー コンバインドセンサー 回転角度センサー 差圧センサー（DPS） クランク角／ カム角センサー 排気温度 センサー 相対湿度 センサー 図1│日立グループのパワートレイン用センサー 近代の車両のパワートレインではさまざまなセンサーが使用されており，環境性能を極限まで高めた制御システムで利用されている。センサーの高精度化は制 御システムの性能向上に直結する。
Mechanical System
）式エアフローセンサー，吸気相対湿度 センサーや圧力センサーの複合化，およびネットワーク端 末化したセンサー出力信号のデジタル化について述べる。 2. MEMS式エアフローセンサー 日立オートモティブシステムズは，1981
年に初めて ホットワイヤ式エアフローセンサーを実用化して以降，世 代に応じたさまざまなエアフローセンサーを供給し，これ までの供給実績は2
億台に達する。この中でも2005
年に 投入したMEMS
式エアフローセンサー1）は，シリコンダ イヤフラム式検出エレメントを使用して双方向の流れを計 測可能としたものであり，現在では5 V
駆動で低消費電流 化，検出部の温度を上昇させて耐汚損性を改善した第2
世 代を量産中である。さらに，高吸気脈動環境での高精度化， 低価格化をめざした第3
世代も量産準備中である。 2.1 高吸気脈動エンジンへの対応MEMS
式エアフローセンサーの目標とする機能・性能 は，使用されるエンジンの進化を強く意識したものである。 オットーサイクルでエンジンが運転されていたころは， ほとんどの領域で吸入空気は順流（エンジンに向かう流れ） であった。しかし現在では，ミラー式アトキンソンサイク ル に よ る 高 膨 張 比 運 転， 高EGR
（Exhaust Gas
Re-circulation
）率によるポンプ損失低減などにより，逆流（エンジンから外に吐き出される流れ）の成分が非常に多い。 例えば，
VTC
（Valve Timing Control
）などによって吸気 バルブ閉弁タイミング角（IVC
：Intake Valve Closing
）を 大幅に遅角化してミラー式のアトキンソンサイクルで運転 するエンジンでは，一度吸入された空気の大半がピストン によって押し戻され，これが逆流となって脈動を増大させ る。また，エンジンのEGR
率を上昇させると，シリンダ に充填（じゅうてん）される空気・排気混合ガスの総体積 が同じでも，排ガスが増える分，空気は減少する。このた め空気の流量を計測するエアフローセンサーでは，脈動の 大きさが同一でも，空気の平均流量が低下し，相対的に脈 動が増大する（図2参照）。 日立オートモティブシステムズでは平均順方向流量で脈 動の振幅を除し，これを脈動振幅率として定量的に評価し ている。脈動振幅率が200
％を超えると，完全に逆方向に 流れている期間があることを示す。エンジンの高性能化に 伴い，脈動振幅率は世代を重ねるごとに大きくなっている （図3参照）。 このように，エンジンとその制御の進化で，エアフロー センサー付近を流れる空気は極めて強大な脈動流となり， 双方向の流れに対応するMEMS
式エアフローセンサーで あっても誤差の低減技術が重要になる。 2.2 脈動による空気量計測誤差低減技術 吸気の脈動増大で発生する誤差はさまざまな要因によっ て発生する。エアフローセンサーの出力信号は，常に順方 向の平均的な空気流量を出力しなければならない。このた め，いくら順方向における計測精度が高くても，逆流成分 の計測誤差やその補正処理が適切でないとセンサーとして の誤差が増大してしまう。主な脈動誤差原因は，流れ検出 部の応答性の不足や，特性が非線形であることによる非線 エンジン 脈動の大 きさ 平均流量 A 300 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 2030 年代 2020 2010 2000 1990 脈動振幅率 1980 200 100 0 −50 高脈動 注： 低脈動 脈動振幅 B 空気量 （ kg/h ） 時間（秒） 逆流 順流 脈動振幅率（％）＝ ホットワイヤ式 MEMS式 ポート噴射（PFI） 直接噴射 過給ダウンサイジングエンジン アトキンソンサイクル 大幅ダウンサイジング 大EGR率（低圧EGRシステム） HCCI（予混合圧縮着火） スロットルレスエンジン 1，000％ 500％ 脈動振幅B 平均流量A 図3│脈動流発生メカニズム 日立グループでは脈動の大きさを脈動振幅率として定義し，定量評価を行っ ている。この脈動振幅率はエンジンの進化とともに上昇を続けており，脈動 流における空気流量の精度はエンジン制御の進化と深い関係がある。注：略語説明 MEMS（Micro Electro Mechanical System），
HCCI（Homogeneous Charge Compression Ignition），PFI（Port Fuel Injection） 吸気工程開始 ピス ト ン の 動 き 吸気工程終了 EGR率小 EGR（排ガス再循環） EGR率大 一度吸った 空気が押し 戻される
180°CA 90°CA 90°CA 圧縮中盤に なっても吸 気弁は閉ま らない EGR率大で吸入 空気量は減少 吸入空気量平均 値が減少 脈動振幅率増大 吸入空気分 排ガス 排ガス 空気 空気 EGR分 EGRバルブ 順方向流 逆方向流 アトキンソンサイクル（ミラー式）での高脈動流発生メカニズム EGRによる脈動振幅率増大メカニズム 圧縮工程途中 圧縮工程完了 図2│脈動流発生メカニズム ミラー式アトキンソンサイクルエンジンでは，吸気弁の閉弁が圧縮工程中盤 まで遅角されるため，一度吸引した空気が大量に押し戻され，脈動が増大する。 また大量EGRを行うと再循環排気ガスの増大で吸入する空気量が減少し，見 かけの脈動が増大する。
featur e ar ticles 形誤差，エアフローセンサー自身の乱気流を逆流時に再度 吸い込んでしまう乱流誤差などさまざまであり，これらは 常に複合的に発生する。 従来は一般的な信号フィルタ処理による補正や，エアフ ローセンサーに内蔵されるバイパス通路の形状などで対処 してきたが，極めて強大な脈動流ではその補正能力が不足 する。 この問題を解決するため，日立オートモティブシステムズ と日立研究所は，共同でエアフローセンサー用に特化した
DSP
（Digital Signal Processor
）チップ（ASIC
：Application
Specifi c Integrated Circuit
）を開発した。高速演算が可能なDSP
で信号を処理することにより，順・逆個別の信号補 正処理，流量を物理量変換してから補正するリニアリティ 処理，脈動特性の緻密な温度補正などがエアフローセン サー内部で行えるようになり，脈動誤差を大幅に低減で きた。 さらに，副通路（センサー内のバイパス通路）の通路長， 逆流取り込み（出口）開口を最適化して検出部の空気流を 安定化させることによって，従来ではセンサー信号が利用 できなかった脈動振幅率1,000
％に迫るような高脈動の環 境においても，問題なくエンジンを運転できるだけの精度 を実現している（図4参照）。 3. 多機能エアフローセンサー長い間，単一機能のセンサーを
ECU
（Engine Control
Unit
）に複数接続する形態が主流であったが，複数のセン サーを一体化して互いに補正し，総合的な精度を高められ る多機能センサーのニーズが高まってきている。日立オー トモティブシステムズでは，2011
年に世界で初めて相対 湿度センサーと圧力センサーを内蔵した多機能エアフロー センサーを量産している（図5参照）。 ・質量空気流量（エアフローセンサー） ・空気の相対湿度 相対湿度計測点の温度（温湿度センサー） ・吸入空気温度（吸気温度センサー） ・給気管内の大気圧力（大気圧センサー） 半導体チップ型 湿度センサー 回路基板 大気圧 センサー 半導体チップ型 温湿度センサー ホットワイヤ （エアフローセンサー） 感湿部 温度センサー A/D変換器 メモリ デジタル回路 コールドフィルム （エアフローセンサー） 吸気温度センサー 図5│多機能エアフローセンサー エアフローセンサー機能に加え，相対湿度と吸気ダクト内の圧力を計測でき る。気象条件や走行環境の変化にエンジン制御が追従できるようになり，今 まで湿度変化分として確保していたエンジン制御の余力を燃費向上などに振 り分けることが可能となる。 脈動誤差が大きい エンジン制御に支障の ない誤差範囲 脈動誤差を大幅低減 使用可能脈動範囲が 限られる ホットワイヤ式 ホットワイヤ式 脈動率（％） アナログASIC デジタルASIC（DSPチップ） ブリッジ 回路 ヒーター 駆動回路 ヒーター駆動 DSP 信号補正 DSP A/D変換器 D/A変換器 周波数変調 タイマー RAM プログラム ROM パラメータ ROM 通信 回路 デジタル 調整 空気温 流量 ヒーター 電流 エレメント 温度 増幅器 アナログ 補正回路 周波数 変調回路 脈動誤差 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 使用可能脈動範囲が広い 脈動率（％） 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 MEMS式 MEMS式 コール ド ワ イ ヤ ホ ッ ト ワ イ ヤ セ ン シ ン グ エ レ メ ン ト 吸気温度センサー 流量 空気温 吸気温度センサー 図4│脈動による空気流量計測誤差の改善 アナログ式の回路では脈動流の高精度計測には限界があるが，MEMS式エアフローセンサーでは，内部信号の処理を専用DSPでデジタル処理するため，極めて 大きな脈動流においてもエンジンの制御性能を損なわない計測精度を確保できる。注：略語説明 ASIC（Application Specific Integrated Circuit），DSP（Digital Signal Processor），A/D（Analog/Digital），D/A（Digital/Analog），RAM（Random Access Memory），
また，センサー信号を
ECU
に伝達する段階における精 度を高めるために，センサー信号のデジタル化や，ネット ワーク端末化によるワイヤハーネスの削減，OBD
（On-board Diagnostics
）の柔軟性を高めた次期型も開発中で ある。 3.1 複数センサーによる制御の高精度化 エンジンが吸入する空気には，従来から測定している質 量空気量だけではなく，水蒸気として含まれる水分や，そ の場所の圧力も物理量として存在する。これらの変化に よってエアフローセンサーが計測する質量空気量に誤差が 発生し，特に低流量領域では誤差が数％に達する。これは， ホットワイヤ式もMEMS
式も空気による熱の移動を感知 する原理に起因しており，水分による空気物性変化の影響 を受けるためである。 また，エンジンにおいても吸入空気の水分量によって着 火性能，限界EGR
率，燃焼温度などが変動し，燃費や汚 染物質の発生量などが大きく変化する。そのため，エンジ ンや排気ガス後処理システムの制御も吸入空気水分量の変 化に追従させることが環境性能向上の伴となる。 従来からこのような誤差は知られていたが，各種規制レ ベルがそれほど厳しくなかったために問題とはならなかっ た。しかし，市場の低燃費志向や，年々，規制が強化され ていることから，多機能エアフローセンサーでは吸入空気 中の水分による誤差も補正できるように半導体チップ式の 相対湿度センサーを搭載している。 相対湿度センサーは，感湿ポリマーを誘電体としてコン デンサを構成し，ポリマーに空気中の水分子が進入するこ とで誘電率が変化，これをコンデンサ容量変化として検出 する静電容量式である。この相対湿度センサーには高精度 の温度センサーも内蔵されており，この温度と相対湿度か ら，空気中の絶対水分量を求めることができる。 さらに，相対湿度は圧力の変化に応じて変化するため， 搭載されている圧力センサーの情報でこれを補正すること によって極めて正確にエンジンが吸入する水分量を把握す ることが可能である。 また，内蔵されたマイクロプロセッサにより，各種セン サーの信号を補正せずにそのまま出力することも，補正し て出力することも可能であり，各種のエンジン制御システ ムに柔軟に対応できる（図6参照）。 3.2 センサー信号伝達での高精度化 センサーの精度を向上しても，その信号伝達段階で信号 精度が劣化しては意味がない。従来はセンサー信号を電圧 出力するアナログ信号タイプや，パルスの周波数を変化さ せる周波数変調タイプが主流であった。しかし，接地電位 の変動や，変調基準周波数の温度特性などの信号伝達段階 で発生する誤差，ECU
でアナログ信号をデジタル値に変 換するADC
（Analog to Digital Converter
）での変換誤差な どで最終的なセンサー信号の精度は劣化する。これらの誤差を改善するため，高精度センサーでは信号 のデジタル化が進んでいる。例えば，
SENT
（Single Edge
Nibble Transmission
）通信はセンサー信号をデジタル化す る手法の1
つであり，単一の信号線で2
チャンネル分のセ MEMS エアフローセンサー 吸気温度センサー 吸気温度センサー 圧力センサー 圧力 温度 相対湿度 吸気温度 空気流量 空気量 物理量変換 フレーム生成送信データ トランシーバネットワーク ネットワークバス 周波数変調出力 デジタル信号出力 周波数変調 処理 デジタル 出力処理 絶対水分量 算出 マイクロプロセッサ（演算処理） 吸気温 物理量変換 吸入空気量 補正処理 相対湿度 物理量変換 温度 物理量変換 圧力 物理量変換 ASIC 出力 セ レ ク タ 図6│複数のセンサーを使用して高精度化（多機能エアフローセンサー） センサーを多機能化するとセンサー信号を他のセンサーの情報で補正できるようになるため，総合的な信号精度を高めることができる。この例では相対湿度を 圧力で補正して絶対水分量を算出する。この情報でさらに吸入空気量を補正している。featur
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ンサー信号が伝達でき，
CRC
（Cyclic Redundancy Check
） による誤り検出も可能である2）。 さらに多チャンネルの信号重畳が可能であるため，多機 能エアフローセンサーのように多くのセンサーの信号を出 力しなければならない用途にも使用できる。SENT
通信はセンサーからECU
への単方向通信であり， 従来のアナログ信号をデジタル方式に置き換えた格好であ る が， 開 発 中 の も の で はSENT
だ け で な くLIN
（Local
Interconnect Network
）3）にも対応する（図7参照）。双方向 通信ができることを利用してECU
の要求に応じてそのと きに必要なセンサーだけを起動して計測精度を高めるな ど，より高精度で柔軟性の高いセンサーの実用化を進めて いる。このようにセンサー信号のデジタル化・ネットワー ク化は信号伝達段階での精度劣化が少なく柔軟性も高いた め，高精度センサーのインタフェースとして最も適した方 法である。 4. おわりに 車載用センサーの高精度化の動向として，MEMS
式エ アフローセンサーでの高脈動流における計測精度改善と， 多機能エアフローセンサーでの複合化および，センサー出 力信号のディジタル化について述べた。 パワートレインの状況，車体の動き，車両外部の状況な どを把握する高精度，高性能なセンサーを導入すること で，自動車やそのパワートレインの安全性向上，省資源化， 地球環境改善などに寄与できる。 信号1 12ビット 5 V 0 V 信号2 12ビット メッセージ全体： 462 sμ∼810 sμ（送信データの値で変動する） SENT信号規格（SAE-J2716） LINネットワーク信号 同期 ／ 調整 パ ル ス ステ ー タ ス＆ コ ミ ュ ニ ケ ー シ ョ ン ポー ズ パ ル ス ︵ オプ シ ョ ン ︶ 4ビ ッ ト 分 4ビ ッ ト 分 4ビ ッ ト 分 4ビ ッ ト 分 4ビ ッ ト 分 4ビ ッ ト 分 C R C／ チ ェ ッ ク サ ム 56 ティック固定 （3 sμクロック／ティック） LINフレーム ヘッダ レスポンス レスポンススペース ブレーク フィールド データ1 データ2 インターバイトスペース インターバイトスペース データN チェック サム LINネットワーク センサー 1 センサー 2 センサー n ECU Sync フィールド PID フィールド 図7│センサー出力信号のデジタル化 SENTは1メッセージ当たり2つの信号を1 ms未満の周期で送信でき，センサー用のデジタル信号規格として適している。すでに角度センサーなどで実用化されて おり，シンプルなことから今後広く採用されると思われる。LINは車内電子機器ですでに普及している低速ネットワークであるが，単線で双方向通信が可能，か つ柔軟性も高いためパワートレインでも採用され始めている。注：略語説明 SENT（Single Edge Nibble Transmission），CRC（Cyclic Redundancy Check），LIN（Local Interconnect Network），Sync(Synchronization)，PID(Protected Identifier)，
ECU(Engine Control Unit)
1）木股，外：自動車用センサの最新動向，シーエムシー出版（2009.2）
2） SAE: SENT–Single Edge Nibble Transmission for Automotive Applications, SAE-J2716（2006）
3） LIN Consortium : LIN Specification Package Revision 2.1（2006）
参考文献など 半沢恵二 1988年日立オートモティブエンジニアリング株式会社（現株式会 社日立カーエンジニアリング）入社，日立オートモティブシステム ズ株式会社パワートレイン&電子事業部電子設計本部センサ設計 部所属 現在，車載用センサーの開発・設計に従事 自動車技術会会員 田代忍 1993年日立製作所入社，日立オートモティブシステムズ株式会社 パワートレイン&電子事業部電子設計本部センサ設計部所属 現在，車載用センサーの開発に従事 星加浩昭 1988年日立オートモティブエンジニアリング株式会社（現株式会 社日立カーエンジニアリング）入社，日立オートモティブシステム ズ株式会社パワートレイン&電子事業部電子設計本部センサ設計 部所属 現在，車載用センサーの開発に従事 自動車技術会会員 松本昌大 1983年日立製作所入社，日立研究所情報制御研究センタグリー ンモビリティ研究部所属 現在，車載用センサーの開発に従事 計測自動制御学会会員 執筆者紹介
