自動車用半導体の開発技術と展望

Recent Technologies&Perspective of Automotive Semiconductor

［コードNo.2007T580］

■監修／	大山宜茂（東北学院大学　工学部　非常勤講師）
■体裁／	Ｂ５判　２６８ページ
■発行／	２００７年　１０月　(株)シーエムシー出版
■定価／	６８,２５０円（税込価格）

★	次世代の車載半導体、アプリケーションの発展に！
★	カーエレクトロニクスの半導体の使われ方、材料を網羅！

※　本書籍はご試読頂けません　※

刊行のねらい
本書は、車載半導体のみでなく、それが使われているシステム、センサ、アクチュエータも横断的にとりあげ、この分野の研究開発にあたられる方々、新たにこの分野に従事する方々に役立てていただく目的で執筆したものである。 　1960年代、米国のロスアンゼルスで始まった排ガス規制は、電子制御燃料噴射システムの採用を促し、現在では、50個以上のモータ、エレクトロニクスコントロールユニット（ECU）、100個以上のセンサを搭載した車も量産されている。自動車エレクトロニクスが、車全体のコストの20％を占めるようになったともいわれている。 　今後、油圧式の多板クラッチに代わり電動式のPower-by-Wireシステム、車輪の転舵を自在に電子制御するSteer-by-Wireシステム、ブレーキ力をモータで制御するBrake-by-WireシステムなどのX-by-Wireシステムが登場するものと思われる。1990年代に検討されたハイブリッドシステム、1970年代に開発された衝突警報用のレーダシステムも陽の目を見るものと思われる。 　これらを支える技術に、マイクロプロセッサ、パワー半導体などがある。マイクロプロセッサは、インベーダゲームなどによって大量生産され、MOSFET、IGBTなどのパワー素子は、冷蔵庫などのインバータドライブの普及で、低コストで供給できるようになった。これらが、グレードアップされ、-40から150度の温度の環境におかれる自動車エレクトロニクスの普及につながっている。今後、X-by-Wireの登場で、自動車半導体が、半導体アプリケーションの主役のひとつになることが予測される。 　このような状況の中で、半導体の市場において、自動車半導体が占める割合は、2000年代の初頭は8％程度であったが、2010年には30％程度に増加するものと見込まれている。半導体の世界マーケットシェアの上位3社の次に、自動車半導体も手がけている、Infineon Technologies AG,　ルネサステクノロジ、ST Microelectronics,　東芝、NECエレクトロニクス、Philips Semiconductors,Inc.,　Freescale Semiconductor、富士通などが名をつらねている。各社は、持ち味を生かして、今後、シェアの向上をねらってくるものと思われる。 　自動車においては、安全性、信頼性が最重要課題である。車載システムでは、自動車メーカー、部品メーカー、半導体メーカーの役割分担において、半導体自体の信頼性のほかに、システムを構成する各要素の信頼性、ソフトウェアの信頼性を横断的に検証する必要がある。本書が、次世代の車載半導体およびアプリケーションの発展に貢献できれば幸いである。 　本書をまとめるに際し、多くの方々に力添えをいただいた。執筆者を代表して深く感謝申し上げたい。
（「まえがき」より） 2007年10月　大山宜茂

執筆者一覧
大山宜茂	東北学院大学 工学部 非常勤講師(元(株)日立製作所)
鷲野翔一	鳥取環境大学 環境情報学部 情報システム学科 教授
射場本正彦	(株)日立ニコトランスミッション 本社 技術顧問(元(株)日立製作所)
山内照夫	技術研究組合 走行支援道路システム開発機構 交流促進部 部長
相薗岳生	(株)日立製作所 システム開発研究所 CISシステムソリューション分室 ユニットリーダー主任研究員(分室長)
小山敏	(株)日立製作所 トータルソリューション事業部 ITSソリューションセンタ 担当部長
佐藤孝	スタンレー電気(株) 研究開発センター 技術研究所 主任技師
栗原伸夫	八戸工業大学 工学部 システム情報工学科 教授
金川信康	(株)日立製作所 日立研究所 情報制御第三研究部 LSIユニット 主管研究員
諸岡泰男	筑波大学 先端学際領域研究センター 研究員
前島英雄	東京工業大学 大学院総合理工学研究科 物理情報システム専攻 教授
藤平龍彦	富士電機デバイステクノロジー(株) 電子デバイス研究所 所長
内藤治夫	岐阜大学 工学部 人間情報システム工学科 教授
松平信紀	(元)(株)日立製作所 自動車機器事業部 事業部長付
加藤和男	技術コンサルタント
福島 E. 文彦	東京工業大学 大学院理工学研究科 機械宇宙システム専攻 准教授
嶋田智	(株)日立カーエンジニアリング 電子設計本部 特別嘱託
大井幸二	三菱マテリアル(株) セラミックス工場 電子デバイス開発センター 主任研究員
野尻俊幸	石塚電子(株) 営業統轄本部 特販課 課長
真山修二	(株)オートネットワーク技術研究所 PDS研究所 パワーネットワーク研究室 主任研究員

構成および内容
【第I編】　自動車エレクトロニクスの現状と今後の方向
第1章	次世代カーエレクトロニクスの展望（鷲野翔一）
1	まえがき
2	カーエレクトロニクスの歴史的概観
3	社会の今後の動き
3.1	少子高齢化
3.2	安全・安心と環境
4	一つの提案
5	おわりに
第2章	自動車エンジンの電子制御技術（大山宜茂）
1	火花点火エンジンの電子制御技術
1.1	アナログからディジタルへの変遷
1.2	電子制御ユニット（ECU;Electronic Control Unit）の構成
1.3	燃料量の制御
1.4	点火時期の制御
1.5	制御のタイミング
1.6	制御システムの例
2	ディーゼルエンジンの電子制御技術
2.1	燃料噴射システム
2.2	エンジン制御システム
3	予混合圧縮自着火の電子制御技術
4	二輪車用エンジン
5	天然ガスエンジンの電子制御技術
6	ハイブリッドシステムの電子制御技術
7	自律分散制御
8	ECU（Electric Control Unit）の性能および構成
8.1	マイクロプロセッサの性能
8.2	ガソリンエンジン用のECUのLSIの構成
8.3	フェイルセーフ機能
8.4	ECUと周辺デバイスとの接続例　（ディーゼルエンジンの場合）
【第II編】　自動車エレクトロニクスと半導体の使われ方
第1章	パワートレイン（大山宜茂、射場本正彦）
1	エンジン制御システム
2	インジェクタのドライバ
3	スロットルバルブの電子制御
4	点火システム
5	触媒のための尿素供給システム
6	変速機
6.1	オートマチックトランスミッション
6.2	無段変速機CVT（Continuously Variable Transmission）
6.3	自動化機械式変速機
7	駆動力制御
8	ハイブリッドシステム
8.1	シリーズハイブリッドシステム
8.2	パラレルハイブリッドシステム
8.3	省エネルギ制御
8.4	コントロールシステム
9	電動アシストターボ
第2章	安全走行支援システムの開発状況（山内照夫）
1	はじめに
2	日本の状況
2.1	相変わらず発生する交通事故
2.2	国内車両メーカーが考える対策案
2.3	内閣府が発表したIT改革戦略
3	海外の状況
3.1	欧米の政策的動向
3.1.1	欧米の路車協調取組み経緯と予算額の推移
3.1.2	各国政府の交通事故低減の目標
3.1.3	ITS関連のプロジェクト例
3.1.4	ITS関連マーケット
3.2	米国の技術的活動の状況
3.3	欧州の技術的活動の状況
4	おわりに
第3章	車載情報システム（相薗岳生）
1	車載情報システムの構成
2	車載情報端末を活用したサービス
2.1	安全性の向上
2.1.1	テレマティクスシステムを活用した緊急支援と遠隔診断サービス
2.1.2	ナビゲーションシステムを使った危険の通知
2.1.3	車載制御機器との連携による安全支援
2.1.4	車載映像機器との連携による安全支援
2.2	環境性能の向上
2.2.1	車載情報端末を活用した燃費向上
2.2.2	テレマティクスシステムを活用した燃費向上
2.3	利便性の向上
2.3.1	ナビゲーションの高度化
2.3.2	リアルタイムコンテンツの普及
2.4	娯楽性の向上
2.4.1	テレマティクスシステムを活用した娯楽コンテンツの提供
2.4.2	情報家電機器との連携による娯楽性向上
2.4.3	リアシートエンターテイメント
3	車載情報端末に対する要件
3.1	製品の分類とハードウエアの要件
3.1.1	高機能ナビゲーションシステム
3.1.2	中低価格ナビゲーションシステム
3.1.3	PND
3.1.4	S&S端末
3.2	他分野技術とのコンバージェンス
第4章	車両関係通信（ITS）（小山敏）
1	はじめに
2	日本のDSRC
2.1	DSRCの標準化
2.1.1	日本における標準化の経緯
2.1.2	5.8GHzアクティブ方式DSRC
2.1.3	DSRCチップセット
2.1.4	セキュリティ
3	国際標準化
3.1	ITU-R
3.2	ISO
4	次世代DSRC
4.1	日本の安全運転支援システム
4.2	欧米の次世代DSRC
4.2.1	欧州
4.2.2	米国
5	おわりに
第5章	照明（LEDヘッドランプなど）（佐藤孝）
1	はじめに
2	LEDヘッドランプの動向
3	自動車用ヘッドランプに求められる要件
3.1	動作環境
3.2	法規
3.3	配光
4	LEDヘッドランプの構成要素と課題
4.1	光源
4.1.1	光束
4.1.2	形状
4.1.3	発光色と法規
4.1.4	発光スペクトル
4.2	光学系と配光形成
4.3	回路
4.4	熱マネジメント
4.4.1	放熱
4.4.2	アウターカバーレンズの曇りと融雪
5	開発課題と改良点
5.1	発光効率
5.2	発光色
5.3	コスト
6	おわりに
第6章	オンボード診断、信号処理とノッキング制御（栗原伸夫）
1	オンボード診断
1.1	オンボード診断システム
1.2	失火検出
1.3	三元触媒診断
1.4	エバポリーク検出
2	信号処理とノッキング制御
2.1	ノッキング制御
2.2	マルチ周波数スペクトル方式
2.3	ウェーブレットスペクトル方式
【第III編】　自動車車載半導体の要件と課題（材料含む）
第1章	半導体
1	車載ECU（金川信康）
1.1	ECUとは
1.2	エンジンECUの機能
1.3	ECUの仕様、規格
1.4	ECUの将来展望
2	AD/DA変換（諸岡泰男）
2.1	AD変換
2.2	DA変換
第2章	マイクロプロセッサのアーキテクチャ（前島英雄）
1	はじめに
2	マイクロプロセッサの動向
3	高性能化技術
3.1	パイプライン技術
3.2	SIMD技術
3.3	ベクタ演算技術
3.4	マルチコア技術
3.5	リコンフィガラブル・プロセッサ技術
4	低消費電力化技術
4.1	スリープ・スタンバイ技術
4.2	マルチコア技術
4.3	リコンフィガラブル・プロセッサ技術
4.4	デバイス技術
5	マイクロプロセッサの実例
5.1	3次元高速演算回路内蔵マイクロプロセッサ
5.2	Cell Processorの構成
5.3	FR1000の構成
6	今後の課題
6.1	高性能マイクロプロセッサの使途
6.2	高信頼化システムの実現
第3章	パワー半導体
1	車載用パワーデバイスの現状と今後の課題（藤平龍彦）
1.1	はじめに
1.2	IGBTモジュール
1.3	パワーMOSFET
1.4	パワーIC
1.5	おわりに
2	パワーデバイス（内藤治夫）
2.1	パワーデバイスの概要
2.2	ダイオード
2.2.1	ダイオードの静特性
2.2.2	ダイオードの構造と高耐圧化
2.2.3	ダイオードの動特性
2.3	トランジスタ
2.3.1	パワートランジスタ
2.3.2	パワートランジスタのオン・オフ条件
2.3.3	パワートランジスタの過渡状態
2.3.4	MOSFET
2.3.5	IGBT
2.3.6	素子モジュール
2.3.7	IPM
2.4	パワーデバイスの過渡現象の問題点
2.4.1	スイッチング損失
2.4.2	デッドタイム
3	インバータ（松平信紀）
3.1	はじめに
3.2	インバータ普及の背景
3.2.1	パワーデバイス
3.2.2	モータ駆動方式
3.2.3	インバータの歴史
3.3	自動車用インバータへの要求特性
3.3.1	電気品の設計要件
3.3.2	EV用電気品の特徴
3.3.3	電波雑音
3.3.4	電気品の将来動向
3.3.5	リサイクル関係等
3.3.6	電気品の機能、性能検証
3.4	インバータの構造と適用例
3.4.1	インバータの構造
3.4.2	インバータの適用例
第4章	電子回路およびネットワーク
1	センサ信号の高精度可変利得増幅と走査回路（加藤和男）
1.1	はじめに
1.2	センサのアナログ入力装置の発展過程と低レベル信号走査方式
1.3	高S/N可変利得増幅器と信号走査回路の設計技術
1.3.1	高精度低レベル可変利得増幅器（±10mV〜±5V）
1.3.2	同上の信号走査回路への適用
1.4	ループバック技術による入出力回路システムの信頼性の向上
1.5	まとめ
2	CAN（Controller Area Network）（福島 E. 文彦）
2.1	CANとは
2.2	CANの規格
2.3	CANの特徴
2.4	CAN半導体デバイスの種類と要件
2.5	今後の展望
第5章	センサ
1	MEMSと半導体センサ（嶋田智）
1.1	まえがき
1.2	シリコンマイクロマシニング技術の基本プロセス
1.2.1	バルクマイクロマシニングプロセス
1.2.2	表面マイクロマシニングプロセス
1.2.3	マイクロマシニングプロセスの動向
1.3	MEMSを活用した車載用半導体センサの例
1.4	MEMS技術とそれを用いた自動車用センサの動向
2	自動車用温度センサ（大井幸二）
2.1	概要
2.2	カーエアコン用温度センサ
2.2.1	エバポレータ（熱交換器）用センサ
2.2.2	外気温（アンビエント）センサ
2.2.3	水温センサ
2.2.4	車内温（インカー）センサ
2.3	パワートレイン系制御用温度センサ
2.3.1	水温センサ、油温センサ
2.3.2	吸気温センサ
2.3.3	HV、EV用温度センサ
2.4	ECU用温度センサ
3	自動車用サーミスタ（野尻俊幸）
3.1	サーミスタについて
3.1.1	NTCサーミスタ
3.1.2	PTCサーミスタ
3.1.3	CTRサーミスタ
3.2	自動車とサーミスタについて
3.2.1	ガソリンエンジンの自動車に対するNTCサーミスタの応用
3.2.2	ハイブリッド自動車及び電気自動車へのサーミスタの応用
3.3	最近のガソリン自動車での環境にやさしい制御技術のサポート例
3.4	車載用サーミスタの紹介
3.4.1	ガラス封入タイプサーミスタ
3.4.2	樹脂封入タイプサーミスタ
3.4.3	プリント基板の表面実装タイプのサーミスタ
3.5	今後の車載用のサーミスタについて
第6章	ワイヤハーネス（真山修二）
1	ワイヤーハーネスの動向
2	半導体リレー活用の理由
2.1	小型軽量化
2.2	接点耐久
2.3	静音性
3	インテリジェント・パワーデバイスの機能
4	IPD適用の要件
4.1	突入電流
4.2	負荷短絡
4.3	負サージ保護
4.4	逆接保護
4.5	暗電流
4.6	ラッチ／非ラッチ
5	インテリジェント・パワーデバイスの一例
6	半導体リレーの実装方法
7	ワイヤーハーネスにおける半導体リレー活用の展望
7.1	低ON抵抗化と低コスト化
7.2	高機能化

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