自動車で使用されるセンサの種類と使用例を紹介!制御システムに必要不可欠!

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自動車工学
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センサの役割

センサとは、「圧力、温度、流量、光などの物理量を検出するための素子または装置」のことを指します。センサの語源は、感覚という意味の「Sense」に由来しています。

つまり、外界のいろいろな情報を感じるための装置と捉えていただければ問題ありません。

実際のセンサは、計測した様々な物理量をCPUが処理できるように電気信号に変換しています。CPUはその電気信号を受け取って、現在の温度や圧力がどれくらいなのかを理解することができるのです。

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センサは人間にもたくさん備わっている

センサは機械にだけ取り付けられるわけではありません。人間にもたくさんのセンサ機能が付いています。例えば、目・耳・鼻・皮膚などの感覚器官はすべてセンサの代わりをしています。

目は光センサ、耳は音響センサ、鼻は臭いセンサ、皮膚は圧力・温度センサに対応しています。人間は、これらの感覚器官でセンシングした情報を脳に送り、脳で判断・処理した後は電気信号を筋肉に送り、全身を動かしています。

感覚感覚器官センサセンシング対象
視覚光センサ明るさ、色、形など
聴覚音響センサ空気の振動による音の大きさ・高さ
嗅覚ガスセンサガス
触覚皮膚圧力センサ・温度センサ圧力、温度など
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センサの種類

自動車で使われるセンサの種類とその素子の種類を以下の表にまとめます。

センシング対象センサ素子
光(赤外線、可視光線、紫外線)光センサCCD、CMOS、フォトダイオード、光電管、フォトトランジスタなど
温度温度センサ熱電対、サーミスタ、サーモカメラ、サーモグラフィ、バイメタルなど
湿度湿度センサ乾球湿球湿度計、高分子湿度計(抵抗式、容量式)、鏡面冷却式露点計
磁気磁気センサMR素子、ホール素子、リードスイッチなど
圧力圧力センサ機械型(ダイヤフラム式、べローズ式、ブルドン式)、半導体型(シリコンダイヤフラム、ピエゾ)など
トルクセンサロードセル、磁歪式トルクセンサ、歪ゲージ
加速度加速度センサジャイロセンサ、圧電型加速度センサ、静電容量型加速度センサ、MEMS加速度センサなど
ガスガスセンサ固定電解質ガスセンサ、金属酸化物半導体ガスセンサ、接触燃焼式ガスセンサなど
音響センサマイクロフォン、圧電素子(水晶、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸バリウム)
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センサの用途

自動車においてセンサが単独で用いられることはありません。制御と組み合わせてセンサは使われます。制御システムの構成要素一部ですね。

例えば、バッテリの温度がオーバーヒートしないように空冷ファンで冷却するシーンを想定しましょう。今回は、古典制御の代表であるPID制御でバッテリ温度をコントロールします。PID制御とは、目標温度と制御対象の温度の偏差を埋めるように制御するフィードバック制御の1種です。これを実現するためには、制御対象であるバッテリの温度がわからなければなりません。

そこで、温度センサの出番です。温度センサによってバッテリの温度をセンシングし、その結果をPID制御器にフィードバックさせることによって次の操作量を決定します。

もちろん必ずセンサを使う必要はありません。センサを使わずとも、バッテリ温度を推定するためのアルゴリズムがあれば、内部で温度を推定しながら制御することも可能です。しかし、推定値を真値として制御するため、推定値と真値の誤差が大きくなった場合は上手く制御できなくなります。そこで、信頼性を担保する役割として、制御システム内には最低限のセンサが使用されています。

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