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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

パワートレイン用高精度センサーの展開
Developments in Precision Power Train Sensors

半沢 恵二

田代 忍

Hanzawa Keiji

Tashiro Shinobu

星加 浩昭

松本 昌大

Hoshika Hiroaki

Matsumoto Masahiro

1. はじめに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

日立オートモティブシステムズ株式会社は，自動車のいる。また，排ガスや燃費性能の評価も，より実走行環境に近い「走る」，「曲がる」，「止まる」という動作に関するさまざま温度・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。これらのシステしている。

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，内燃機関自インの状況，車体の動き，さらには車両外部の状況も把握

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しながら，常に安全・快適で地球環境に配慮したカーライ

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。

フを実現している（図 1 参照）。

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

ここでは，近年急速に低燃費化，電動化した自動車パ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いる。て， 吸 気 脈 動 の 誤 差 を 低 減 し た MEMS（Micro Electro

MAP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

ブースト圧センサー

相対湿度センサー

排気温度センサー
クランク角／カム角センサー

回転角度センサー
差圧センサー（DPS）

コンバインドセンサー

絶対速度センサー

ストロークセンサー

注：略語説明 MAP（Manifold Absolute Pressure），T-MAP（Temperature-MAP），DPS（Differential Pressure Sensor）

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。

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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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

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
順方向流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。

逆方向流

ピストンの動き

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 年に初めて一度吸った空気が押し戻される

圧縮中盤になっても吸気弁は閉まらない

90°CA

90°CA

180°CA

ホットワイヤ式エアフローセンサーを実用化して以降，世吸気工程開始

代に応じたさまざまなエアフローセンサーを供給し，これ吸気工程終了圧縮工程途中圧縮工程完了EGRによる脈動振幅率増大メカニズムまでの供給実績は 2 億台に達する。この中でも 2005 年にEGRバルブ

EGR率小投入した MEMS 式エアフローセンサー 1）は，シリコンダEGR率大

EGR分

EGR率大で吸入排ガス排ガス空気量は減少

空気

吸入空気量平均値が減少

吸入空気分

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空気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

脈動振幅率増大EGR（排ガス再循環）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。

注：略語説明 EGR（Exhaust Gas Re-circulation），CA（Crank Angle）

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。

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
注：であった。しかし現在では，ミラー式アトキンソンサイク

高脈動
低脈動

200

平均流量

100A−5000.02circulation）率によるポンプ損失低減などにより，逆流（エ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

脈動振幅率

バルブ閉弁タイミング角（IVC：Intake Valve Closing）を脈動振幅B
平均流量A

0.04 0.06
時間（秒）

0.08

0.10

MEMS式

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）などによって吸気脈動振幅率（％）
＝順流
逆流

0

ル に よ る 高 膨 張 比 運 転， 高 EGR（Exhaust Gas Re-B

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）

空気量（kg/h）

オットーサイクルでエンジンが運転されていたころは，

300

脈動振幅

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。

HCCI（予混合圧縮着火）
スロットルレスエンジン

1，000％

ホットワイヤ式

500％

大幅ダウンサイジング
さ
大EGR率（低圧EGRシステム）
大きの動
過給ダウンサイジングエンジン
脈アトキンソンサイクル
ジンエン

直接噴射

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，シリンダポート噴射（PFI）
年代

1980

1990

2000

2010

2020

2030

注：略語説明 MEMS（Micro Electro Mechanical System），，PFI（Port Fuel Injection）
HCCI（Homogeneous Charge Compression Ignition）に充填（じゅうてん）される空気・排気混合ガスの総体積

図3│脈動流発生メカニズムが同じでも，排ガスが増える分，空気は減少する。このた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。

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）。

あっても誤差の低減技術が重要になる。

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2.2 脈動による空気量計測誤差低減技術ている。脈動振幅率が 200％を超えると，完全に逆方向に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て発生する。エアフローセンサーの出力信号は，常に順方伴い，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（図 3 参照）。

め，いくら順方向における計測精度が高くても，逆流成分

このように，エンジンとその制御の進化で，エアフロー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，の誤差が増大してしまう。主な脈動誤差原因は，流れ検出双方向の流れに対応する MEMS 式エアフローセンサーで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

542013.11脈動誤差

脈動誤差が大きい00

使用可能脈動範囲が限られる
0

脈動誤差を大幅低減

エンジン制御に支障のない誤差範囲

100

200300

使用可能脈動範囲が広い

MEMS式

ホットワイヤ式
400

500

600

700

800

0100200300

脈動率（％）
ホットワイヤホットワイヤ式

コールドワイヤ

増幅器

アナログ
補正回路
周波数変調回路

500

600

700

800

ヒーター
電流

ヒーター
駆動回路

ヒーター駆動DSP

A/D変換器

空気温

RAM

流量

周波数変調
タイマー

エレメント
温度

吸気温度センサー

MEMS式

デジタルASIC（DSPチップ）

信号補正

空気温

D/A変換器

DSP

プログラム

パラメータ

ROM

ROM

デジタル
調整

通信
回路

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吸気温度センサー

流量

センシングエレメント

アナログASIC
ブリッジ
回路

400

脈動率
（％）

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），
ROM（Read Only Memory）

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。

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

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 ControlUnit）に複数接続する形態が主流であったが，複数のセン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

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

トモティブシステムズでは，2011 年に世界で初めて相対する。

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

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

センサーを量産している（図 5 参照）。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
Specific 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・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）

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

回路基板

感湿部
温度センサー

大気圧センサー処理，脈動特性の緻密な温度補正などがエアフローセン

半導体チップ型
湿度センサー

A/D変換器

サー内部で行えるようになり，脈動誤差を大幅に低減でメモリ
デジタル回路きた。
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）。

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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）

コールドフィルム
吸気温度センサー （エアフローセンサー）

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。

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また，センサー信号を ECU に伝達する段階における精デンサを構成し，ポリマーに空気中の水分子が進入するこ度を高めるために，センサー信号のデジタル化や，ネットとで誘電率が変化，これをコンデンサ容量変化として検出

ワーク端末化によるワイヤハーネスの削減，OBD（On-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

board Diagnostics）の柔軟性を高めた次期型も開発中で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ある。

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，

3.1 複数センサーによる制御の高精度化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。の場所の圧力も物理量として存在する。これらの変化にまた，内蔵されたマイクロプロセッサにより，各種セン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，補正し発生し，特に低流量領域では誤差が数％に達する。これは，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

ホットワイヤ式も MEMS 式も空気による熱の移動を感知ムに柔軟に対応できる（図 6 参照）。

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

3.2 センサー信号伝達での高精度化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センサーの精度を向上しても，その信号伝達段階で信号火性能，限界 EGR 率，燃焼温度などが変動し，燃費や汚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染物質の発生量などが大きく変化する。そのため，エンジ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せる周波数変調タイプが主流であった。しかし，接地電位化に追従させることが環境性能向上の伴となる。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従来からこのような誤差は知られていたが，各種規制レで発生する誤差，ECU でアナログ信号をデジタル値に変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

換する ADC（Analog to Digital Converter）での変換誤差なた。しかし，市場の低燃費志向や，年々，規制が強化されどで最終的なセンサー信号の精度は劣化する。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これらの誤差を改善するため，高精度センサーでは信号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のデジタル化が進んでいる。例えば，SENT（Single Edge

相対湿度センサーを搭載している。

Nibble Transmission）通信はセンサー信号をデジタル化す

相対湿度センサーは，感湿ポリマーを誘電体としてコンる手法の 1 つであり，単一の信号線で 2 チャンネル分のセネットワークバス

MEMS
エアフローセンサー

マイクロプロセッサ（演算処理）
空気量
物理量変換

吸気温度

吸気温
物理量変換

吸気温度センサー
吸入空気量
補正処理

出力セレクタ

ASIC

空気流量

送信データ
フレーム生成ネットワーク
トランシーバ

周波数変調
処理

周波数変調出力デジタル
出力処理

デジタル信号出力

吸気温度センサー
相対湿度

相対湿度
物理量変換

温度

温度
物理量変換

圧力

圧力
物理量変換

絶対水分量算出

圧力センサー

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。

562013.11

SENT信号規格（SAE-J2716）

4

ポーズパルス︵オプション︶

4／チェックサム

ビット分

4ビット分

4ビット分

4C
R
C

信号2
12ビット
ビット分

4ビット分

ビット分

ステータス＆コミュニケーション

同期／調整パルス

5V

信号1
12ビット

56
ティック固定（3 μsクロック／ティック）

0V
メッセージ全体：462 μs〜810 μ（s 送信データの値で変動する）

LINネットワーク信号
LINフレーム
ヘッダ

レスポンス
ECU

レスポンススペース
LINネットワーク

ブレーク
Sync
PID
フィールド フィールド フィールド
インターバイトスペース

データ1

データ2

データN

チェック
サム

センサー

センサー

センサー

12n

インターバイトスペース

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)

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。

ンサー信号が伝達でき，CRC（Cyclic Redundancy Check）
2）による誤り検出も可能である 。
さらに多チャンネルの信号重畳が可能であるため，多機参考文献など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）

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（LocalInterconnect 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執筆者紹介
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

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。

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

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。

Vol.95 No.11 766–767

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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