JP2006308422A - 車載用半導体センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 車載用半導体センサ内に侵入した水が、結露なのか、自然水、水道水であるかどうかを被水部分の水の電気抵抗を測ることで判断し、センサの内部浸水時の動作不良を未然に防止する。
【解決手段】回路において、例えば電源５（ハイサイド側）を５Ｖとして浸水検知端子１、２を接続し、プルダウン側抵抗器６を１００ＫΩと設定し、プルダウン側抵抗器６を介してマイクロコントローラのＡＤコンバータ７で抵抗値（電圧値）を検出する。
この電圧値は次の式から求められる。Ｅ＝５Ｖ×ｒ１／（Ｒ＋ｒ１）〔但しＥ：出力電圧 ｒ１：水の比抵抗 Ｒ：プルダウン側抵抗〕 浸水した水の電気抵抗ｒ１によって出力Ｅが異なるため、出力Ｅが設定したしきい値以上か以下かを判定することにより、センサ内に侵入した水が自然水なのか、結露なのかを判定する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、浸水時であっても動作不良を起こさないようにした車載用半導体センサに関するものであり、さらに詳細には、センサ内で結露を発生している状態と実際に浸水している状態とを確実に区別し、結露による誤差動を防止できる車載用半導体センサに関するものである。

現在の車両は、車室内で使用する機器であっても被水の可能性のある箇所に搭載する機器は防水構造を採用したセンサを使用している。しかし、防水構造を採用した機器でも、シール部分の経年変化による防水性能の低下による浸水を考慮した場合、センサとしては信頼性の高い水位検出センサ（超音波センサ、フロートセンサなど）や湿度センサ（高分子膜湿度センサ、多孔質セラミック湿度センサ）などを利用するしか手段がない。ところが、水位検出センサ、湿度センサなどを利用する場合、下記の問題が発生する。
（イ）超音波型水位センサを使用した場合、コストが高くなる。
（ロ）フロートセンサを使用した場合、フロートの上下振動による誤作動があり車載用途の浸水検出には適さない。
（ハ）高分子膜湿度センサあるいは多孔質セラミック湿度センサを使用した場合、結露と浸水の区別が不可能である。

一方、自動車の姿勢安定化制御システムや自動運転制御システム等のために、現在では多くの車載用半導体センサが使用されている（特許文献１、特許文献２、特許文献３）

特開平１１−２８０３３６号 特開２００２−１３９６４ 特開２００１−１０４２６

自動車の車両姿勢安定化制御システムでは、センサから出力された車両挙動信号をもとに制御を行うため、センサ信号への依存度が大きい。このため、多くの車両姿勢安定化システムでは信頼性向上のためにＥＣＵがセンサ信号の故障診断を行っている。
しかし、この故障診断ではＧＮＤ固着や電源固着などの明らかに異常と判断できる故障は容易に検出可能であるが、中点電圧（物理量が発生していない状態の電圧）付近での変動や固着などは異常と判断するのが困難である。
また、半導体センサは温度や湿度による影響を受け易く、それによりセンサの中点電圧が変動してしまう問題がある。この対策として温度による影響については、センサの使用温度範囲における各温度データとそれに対応した中点電圧の変動量を内部メモリに予め記憶しておき、内部の温度センサによって現在の温度を検出し、中点電圧の変動量を補正する機能がある。また、湿度による影響については電子基板を樹脂により防湿コーティングすることで・高温高湿伏態や結露などの水分による影響を防止している。

上記以外に、車載用部品については温度や湿度だけではなく、浸水、あるいは電磁妨害波や振動などの厳しい環境下でも正常に作動することが要求されている。
浸水に対しては、多くの車載用部品が防水構造のケースを採用しているが、防水ゴムシールの劣化などにより長期的（例えば１０年以上）な防水性能を維持することは困難である。
浸水時の影響については電子回路のどの部分に影響が発生するかが予測できず出力信号の特定が困難であるため、浸水を判定しセンサ信号を利用する機器に警報を発することにより、浸水によるセンサ信号の異常が車両姿勢安定化制御システム及ぴ車両挙動に与える影響を未然に防止している。
また、防湿コーティングされた半導体センサの電子基板が浸水した場合、その影響が現れるにはある程度の時間が必要であり、それ以前に浸水を判定し警報することができれば、車両姿勢安定化制御システムのＥＣＵにて異常時の処置が可能である。

しかしながら、上記機能を有する車載用半導体センサであっても、車載用半導体センサが浸水した状態なのか、あるいは結露した状態なのかを正確に判断することができず、結露による誤差動を起こしてしまうという不都合があった。
本発明は、浸水時の水位や湿度を検出するのではなく、被水部分の水の電気抵抗を測る簡易的な方法により、浸水か否かを正確に判断することができる車載用半導体センサを提供することを目的としている。
本発明は、超音波、水位検出、湿度検出ではコスト、誤作動などの問題があるが、浸水した水が、自然水・水道水であるかどうかを比抵抗で判断するため、結露した状態と、浸水した状態とを誤判定することがない。

このため本発明が採用した技術解決手段は、
車載用半導体センサの基板に間隔を有する一対の端子を配置し、前記一対の端子の間に侵入した水の電気抵抗を検知することにより、その水の種類を判断できるようにしたことを特徴とする車載用半導体センサである。
また、前記一対の端子と、プルダウン側抵抗器と、前記プルダウン側抵抗器と接続されたＡＤコンバータとを備え、前記一対の端子間に侵入した水が浸水によるものかどうかを一対の端子間の水の電気抵抗値とプルダウン抵抗値とを基に求めた電圧出力がしきい値以上であるか否かで判断することを特徴とする車載用半導体センサである。
また、前記一対の端子と、プルアップ側抵抗器と、前記プルアップ側抵抗器と接続されたＡＤコンバータとを備え、前記一対の端子間に侵入した水が浸水によるものかどうかを一対の端子間の水の電気抵抗値とプルアップ抵抗値とを基に求めた電圧出力がしきい値以下であるか否かで判断することを特徴とする車載用半導体センサである。
また、前記一対の端子は平行であって、その端子間のピッチ距離は任意に設定できるようにしたことを特徴とする車載用半導体センサである。
また、前記しきい値は任意に変更できるようにしたことを特徴とする車載用半導体センサである。
また、前記一対の端子の先端は、カバー側に形成した凹部に対向して配置されていることを特徴とする車載用半導体センサである。

本発明によれば、浸水時の水位や湿度を検出するのではなく、浸水した水が、自然水・水道水であるかどうかを被水部分の水の電気抵抗を測る簡易的な方法により、車載用半導体センサにおける内部浸水時の動作不良を未然に防止することができる。
この方法によれば、水の比抵抗を利用することで誤作動なく、安価な方法で結露状態を検知することが可能となる。
また、他のセンサ部よりも早く浸水を感知できる。
浸水したからといって、すぐにセンサの機能を停止させずに浸水したことを送信でき、故障前の警報となりえる（浸水すると直ちにデータが異常になるのではないので、通常の信号はしばらくの間、無駄なく送り届ける）。
しきい値を固定化せず、温度や湿度などが異なる仕向け地や車両、運転の使い勝手によって、しきい値を自由に変更でき判定をより正確に出来る。
しきい値に最も影響のある温度を自動計測し、しきい値を自動的に連動変化させることで、判定をより正確に出来る。
等の優れた作用効果を達成することができる。

車載用半導体センサ内に浸水した水が、結露なのか、自然水、水道水であるかどうかを被水部分の水の電気抵抗を測ることで判断し、センサの内部浸水時の動作不良を未然に防止する。

以下図面を参照して本発明に係る第１実施例を説明する。
図１は本発明に係るセンサの側面図、図２は本発明に係る等価回路図である。
図１、図２において、１、２は一対の端子（浸水検知端子）、３は基板、４は水、５は電源、６はプルダウン側抵抗器、７はＡＤコンバータである。
図示のように車載用半導体センサは基板状に構成され、基板の少なくとも一面には適宜間隔（本例ではピッチ間が２ｍｍ）の一対の端子（２本の浸水検知端子）が配置されている。前記端子は互いに平行となるように配置されることが望ましい。
なお、浸水検知端子同士の距離は後述する表１に示す水の電気抵抗率（Ω・ｃｍ）から決定する。本発明では狭ピッチの浸水検知端子を使用するということで、車載用途においては結露による影響（誤判定）を判定することが可能となる。
また、基板における浸水検知端子を除く他の部分には防水処理が施されており、基板は図示せぬ適宜カバー内に収納される。また、基板は浸水検知端子を支持し、さらに本発明に係る回路等を支持できるものであれば、必ずしも板状に限定することなく、表面に凹凸等を有する形状のものでもよい。

前記浸水検知端子は基板の両面に設けたり、浸水を検知をするために適当な位置に配置することができる。特に、車載用半導体センサは車両によっては、逆さまに取りつけられる場合があり、基板において浸水検知端子を両面に備えられるレイアウトにしたり、あるいは最初から基板の両面に取り付けることも可能である。また図４に示すように浸水検知端子１、２に対向するカバー側に水が溜まるように凹部８を形成し、浸水をより早く検知することもできる。なお、凹部でなくとも、水が溜まりやすいような窪んだ付近に検知端子を取り付けてもよい。

ところで、表１に示すように、水はそれぞれの種類により電気抵抗が異なることが知られている。一般的に２５°Ｃにおける水の比抵抗は、水道水４Ｋ〜２０ＫΩ・ｃｍ、自然水２０Ｋ〜１００ＫΩ・ｃｍ、蒸留水（結露水）１００Ｋ〜１ＭΩ・ｃｍ、純水１Ｍ〜１８ＭΩ・cm、超純水１８Ｍ〜１８．３ＭΩ・ｃｍである。このことから、本発明では比抵抗が１００ＫΩ・ｃｍ未満で浸水を検知し、１００ＫΩ・ｃｍ以上では浸水を検知しない回路とすることが望ましい。

本発明は、上記のような水の種類毎の電気抵抗を利用することで、センサ内に結露が生じたのか、あるいは浸水により自然水がセンサ内に侵入したのかを容易に判定することが可能である。
具体的には、図２に示すような回路において、例えば電源５（ハイサイド側）を５Ｖとして浸水検知端子１、２を接続し、プルダウン側抵抗器６を１００ＫΩと設定し、プルダウン側抵抗器６を介してマイクロコントローラのＡＤコンバータ７で抵抗値（電圧値）を検出し、浸水したことを判定する。この電圧値は以下の式から求められる。
Ｅ＝５Ｖ×ｒ１／（Ｒ＋ｒ１）
但しＥ：出力電圧
ｒ１：水の比抵抗
Ｒ：プルダウン側抵抗器
上記式から理解できるように侵入した水（浸水検知端子１、２間に存在する水）の電気抵抗ｒ１によって出力Ｅが異なるため、出力Ｅが設定したしきい値以上か以下かを判定することにより、センサ内に侵入した水が結露なのか、自然水なのかを判定することができる。

図２（ロ）に示すように、前記回路において、電源を５Ｖ、プルダウン側抵抗器を１００ＫΩとし、侵入した水が結露（蒸留水）とした場合、蒸留水の比抵抗は１０００００Ω・ｃｍ、浸水検知端子１、２間の距離が２ｍｍであることから、蒸留水の電気抵抗は２０ＫΩとなる（表１参照）。このことから、出力電圧は
Ｅ＝５Ｖ×１００／（１００＋２０） ＝４．１７Ｖ
となる。ここで、しきい値を４Ｖと設定すると、出力電圧Ｅが４Ｖ以下の場合には、侵入した水は、結露水（蒸留水）又は純水であると判断することができる。
また、出力電圧が４Ｖ以上の場合には自然水、水道水、冷却水等であると判断する。
一般に車両において蒸留水や純水がセンサ内に侵入することは考え難く、更に結露時の誤検出を防止する必要があることから、比抵抗が１００ＫΩ以下の時（出力電圧が４Ｖ以上の時）に浸水と判定する。

以上のように本発明では水の種類を比抵抗で認識することにより結露などによる誤判定を防止する。また、浸水判定手段に応答して警報を発する報知手段を備えることもできる。また、前記回路はマイクロコンピュータで構成することもでき、さらにしきい値を変えるにはマイクロコンピュータ内の設定で簡単に行うことができる。
なお、上記回路のプルダウン抵抗値を変えることでもしきい値を変えることができ、このしきい値の設定値によって、水の種類を判定することができることになる。

次に図３に示す回路図を参照して第２実施例を説明する。
第１実施例は、浸水検知端子１、２を電源５（ハイサイド側）、プルダウン側抵抗器６をローサイド側に接続して構成したが、第２実施例は、プルアップ側抵抗器９（１００ＫΩ）を電源５（ハイサイド側）に、浸水検出端子１、２をローサイド側に接続した点に特徴がある。符号７はＡＤコンバータである。
この場合の出力電圧は、
電源を５Ｖ、プルアップ側抵抗器９を１００ＫΩとし、侵入した水が結露（蒸留水）とした場合、蒸留水の比抵抗は１０００００Ω・ｃｍ、浸水検知端子１、２間の距離が２ｍｍであることから、蒸留水の電気抵抗は２０ＫΩとなる（表２参照）。
このことから、出力電圧は
Ｅ＝５Ｖ×２０／（１００＋２０）＝０．８３Ｖとなる。
この結果、しきい値をそれより高く、例えば０．９Ｖと設定すると、出力電圧が０．９Ｖ以上の場合は、侵入した水は結露水（蒸留水）又は純水、出力電圧が０．９Ｖ以下の場合には自然水、水道水、冷却水等であると判断し、浸水と判定する。

次に図５に示す回路図を参照して第３実施例を説明する。
この実施例は、マイクロコンピュータの代わりにトランジスタ回路を使用した点に特徴がある。この場合には電極間の抵抗値によりトランジスタの出力信号はＯＮ、ＯＦＦのいずれかとなり、この結果、電極間に存在する液体が、結露、純水、自然水等を判断することができる。このようにトランジスタ回路を使用することで、コストの低減を図ることができるが、この例の場合には、Ｒ１、Ｒ２の抵抗値によりしきい値が固定されることになる。

以上詳細に説明したが、前述の回路はコンピュータ内で構成することができ、さらに前述したしきい値は、コンピュータプログラムに登録される値であって、製品を取り替えることなくしきい値を任意に変更可能であることは当然である。さらに、前記しきい値は、温度センサと連動し、センサ内温度に応じて自動的に変化するようにすることもできる。 また、本発明はその精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいかなる形でも実施できる。そのため、前述の実施例はあらゆる点で単なる例示にすぎず限定的に解釈してはならない。

本発明は、自動車の姿勢安定化制御システムや自動運転制御システム等のための車載用半導体センサとして利用することができる。

本発明に係るセンサの側面図である。 本発明の第１実施例に係る等価回路図である。 本発明の第２実施例に係る等価回路図である。 浸水検知端子に対向するカバー側に水が溜まる凹部を形成した状態の図である。 本発明の第３実施例に係る等価回路図である。

符号の説明

１、２ 平行端子（浸水検知端子）
３ 基板
４ 水
５ 電源
６ プルダウン側抵抗器
７ ＡＤコンバータ
８ 凹部
９ プルアップ側抵抗器

Claims (6)

1. 車載用半導体センサの基板に間隔を有する一対の端子を配置し、前記一対の端子の間に侵入した水の電気抵抗を検知することにより、その水の種類を判断できるようにしたことを特徴とする車載用半導体センサ。
2. 前記一対の端子と、プルダウン側抵抗器と、前記プルダウン側抵抗器と接続されたＡＤコンバータとを備え、前記一対の端子間に侵入した水が浸水によるものかどうかを一対の端子間の水の電気抵抗値とプルダウン抵抗値とを基に求めた電圧出力がしきい値以上であるか否かで判断することを特徴とする請求項１に記載の車載用半導体センサ。
3. 前記一対の端子と、プルアップ側抵抗器と、前記プルアップ側抵抗器と接続されたＡＤコンバータとを備え、前記一対の端子間に侵入した水が浸水によるものかどうかを一対の端子間の水の電気抵抗値とプルアップ抵抗値とを基に求めた電圧出力がしきい値以下であるか否かで判断することを特徴とする請求項１に記載の車載用半導体センサ。
4. 前記一対の端子は平行であって、その端子間のピッチ距離は任意に設定できるようにしたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の車載用半導体センサ。
5. 前記しきい値は任意に変更できるようにしたことを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれかに記載の車載用半導体センサ。
6. 前記一対の端子の先端は、カバー側に形成した凹部に対向して配置されていることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の車載用半導体センサ。
   

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