クランクシャフトセンサーの種類

エンジン管理システムにおけるクランクシャフトセンサーの役割

現代の点火システムにおけるクランクシャフト位置センサーの機能と重要性

クランクシャフト位置センサーは、一般的にCPSと略されることが多く、エンジンの動作において非常に重要な役割を果たしています。このセンサーは、クランクシャフトがどのくらいの速度で回転しているか、またいつでもその正確な位置を検出しています。このセンサーからの情報により、車のコンピュータはスパークプラグに点火するタイミングや燃料噴射量、排気管を通じて排出されるものを制御することができます。CPSの読み取りにわずかな問題が生じるだけでも、エンジンの不完全燃焼や燃費の悪化といった現象が起きることがあり、場合によっては昨年のいくつかの研究によると、燃費が最大で15％も低下することもあります。多くの人が気づいていないのは、これらのセンサーが単にエンジンをスムーズに動かす以上の働きをしているという点です。実際、必要のないシリンダーを停止させたり、ターボ圧力をリアルタイムで調整したりする、現代では当たり前となっているような機能を可能にしているのです。そのため、現代の自動車はこのセンサーなしでは正しく動作しないのです。

クランクシャフトセンサーが燃料噴射と点火時期をどのように同期させるか

ピストンの動きに対するクランクシャフトの位置を追跡することにより、CPSはECUが燃料噴射および点火のタイミングを非常に高い精度で制御することを可能にする：

• インジェクターは吸気バルブが開く数ミリ秒前に作動する
• スパークプラグは圧縮行程における最適なタイミングで点火する
  この同期により、異常燃焼（ノッキング）を防止し、出力を最大限に引き出すことができる。位相制御式連続噴射システムでは、CPSの精度が特に重要であり、2°というわずかなタイミング誤差でも炭化水素排出量が22％増加する可能性がある（SAE 2023）。

センサー故障がエンジン性能および診断に与える影響

クランクシャフト位置センサーが故障すると、車両は通常、始動困難、不規則なアイドリング、または走行中の完全なストールなどの症状を示します。多くの場合、このセンサー自体に問題があるときはDTCコードP0335が表示されますが、配線の問題も見逃してはいけません。昨年の業界データによると、約5件に1件は実際にはセンサーの不良ではなく、配線関連の問題であることが判明しています。現代の自動車に搭載されたコンピュータは、CPSからの信号を失った場合、通常は基本的な点火時期設定に切り替わりますが、これによりエンジンの性能が大きく低下することがあり、出力がほぼ半分にまで落ち込むこともあります。そのため、経験豊富な技術者は、特に走行距離が10万マイル前後になった時点で、センサーが完全に故障する前に交換することを推奨しています。こうすることで、エンジンが正常に動作しないことで損傷しやすい、高価な触媒コンバーターや酸素センサーなど、排気系の他の部品にかかる高額な修理費を長期間で節約できます。

動作原理によるクランクシャフト位置センサーの主な種類

磁気誘導式（可変リラクタンス）センサーと電磁誘導の動作

磁気誘導式センサーは、クランクシャフトの動きを電磁誘導の原理を利用して検出します。歯付きホイールがセンサーのコイルとマグネット構造の近くを回転すると、変化する磁場によって交流電圧が発生し、その電圧はエンジンの回転速度に応じて上下します。このセンサーの利点は、外部電源を必要としないため、コスト重視のシンプルなエンジンで費用を節約できる点です。しかし欠点もあります。約100回転/分以下の低速では信号が非常に弱く不安定になるため、極めて低速での正確な測定が求められる用途には適していません。

アナログ式クランクシャフトセンサーと交流出力信号の挙動

従来型のアナログクランクシャフトセンサーは、エンジンの回転速度に応じて変化する、いわゆる正弦波状の交流信号を発生します。車のコンピュータはこの信号の上下を読み取り、各ピストンの位置を特定し、燃料噴射や点火時期を決定しています。こうしたセンサーは、エンジンが通常時または高速回転時に問題なく動作しますが、アイドリング中や急加速時には問題が生じやすくなります。2022年に自動車センサー研究所が発表した報告書でも、興味深い結果が示されています。約800RPM付近では、デジタル式と比較してタイミング誤差が±1.5度程度生じることが分かっています。数値としては小さく見えるかもしれませんが、エンジン制御の観点からは実際に大きな違いとなります。

デジタル信号伝送対応ホール効果クランクシャフトセンサー

ホール効果センサーは、半導体技術を利用して、周囲の磁場が変化する際に方形波のデジタル信号を生成します。これらの3線式デバイスは、まったく動いていない状態でも非常に正確な位置情報を提供できることから、最近の車両に搭載されているストップ＆スタート機能に役立ち、寒い天候でもエンジンが確実に始動することを保証します。生成されるデジタル信号は、動作条件に関係なく、約0.25度以内の精度でタイミングを維持します。2023年以降のほとんどの新車、実に10台中7台以上が、クランクシャフトの位置を検出するためにこのセンサーに依存しています。これは他の選択肢と比較して性能が優れており、非常に長寿命だからです。

特殊エンジン用途における光電式および光学センサーの使用

光学式センサーは、LEDとスロット付きホイールの構成を用いてクランクシャフトの回転を検出するもので、光が遮られる様子からその位置を特定します。これらのセンサーは、汚れや湿気に弱く故障しやすいため、一般的な内燃機関ではあまり見られません。しかし、レースカーやボートなど、清潔で乾燥した環境が維持できる場所では非常に高精度に動作し、実際の位置との誤差がわずか0.1度程度に収まる場合もあります。ただし、他のタイプのセンサーよりもより細かなメンテナンスが必要です。それでも、バルブを正確なタイミングで開閉することが出力性能と信頼性に大きく影響する高性能エンジンでは、多くのエンジン製作者がこの方式を採用しています。

アナログとデジタル式クランクシャフトセンサー：性能と信頼性の比較

アナログ式とデジタル式クランクシャフトセンサーの信号出力の違いと精度

従来のアナログセンサーは、停止しているときは約3ボルトから、エンジン回転数が高くなると約50ボルトまで変化する交流電圧を発生します。一方、ホール効果センサーは、回転速度に関係なく、常に5ボルトまたは12ボルトの一定の方形波直流信号を出力します。位置精度を比較すると、デジタルセンサーは特に優れており、2023年のSAEによる最近の研究によると、±0.2度の精度を達成しています。これは、通常±1.5度程度の誤差を生じるアナログセンサーと比べてはるかに優れています。この精度の利点により、特に低速時（概ね1500回転/分以下）において正確なタイミングが重要な状況で、デジタルセンサーははるかに優れた性能を発揮します。

ホール効果センサーが誘導型センサーよりも精密なタイミング制御において持つ利点

ホール効果センサーは、エンジンが完全に停止している場合でも一貫した信号を出力するため、車両の始動をはるかに迅速かつ正確に行うことができます。これは、タイミングが非常に重要で、場合によっては0.1ミリ秒以内の精度が求められるターボチャージャー付きエンジンにおいて特に重要です。ダイナモメーターでのテストでは、ホール効果センサーを搭載した車両は、従来の誘導式センサーを使用する車両と比較して、冷間始動が約30％高速であることが示されました。もう一つの大きな利点は、極めて低速時でも強力な信号を維持できる点です。これにより、都市部の交通でドライバーが日常的に直面する頻繁な停止と発進の状況でも、より優れた動作が可能になります。

低回転数におけるAC出力センサーの限界

800 RPM以下では、アナログセンサーは主に3つの課題に直面します。

• 信号振幅がECUの検出しきい値を下回る可能性がある（<2V）
• 位相歪みが12〜18％増加する（SAE Technical Paper 2021-01-0479）
• デジタルシステムと比較して、電磁干渉に対する感受性が40％上昇する
  これらの制限は、長時間アイドリングする産業用ディーゼルエンジンにおいて再較正を必要とし、長期的な信頼性を低下させます。

極端な条件下におけるデジタル式とアナログ式クランクシャフトセンサーの信頼性

ホール素子センサーは、マイナス40度から摂氏150度（華氏-40度から302度）までの温度範囲で非常に良好に動作します。これは従来の誘導式センサーよりも約35％広い温度範囲をカバーしています。寿命試験の結果を確認すると、デジタル型は約20万回の熱サイクルに耐えられるため、アナログ型と比べて約2.5倍優れた耐久性を示しています。ただし、依然として多くのエンジニアは、絶え間ない振動が発生するような過酷な環境では誘導式センサーを採用しています。例えば、特に500Hzを超える周波数で振動するマリンエンジンなどが該当します。このような誘導式モデルには、激しい振動によって損傷しやすい半導体部品を持たない完全な固体構造（ソリッドステート）であるという利点があります。

可変リラクタンス（誘導式）クランクシャフトセンサー技術の詳細

歯付きリラクタホイールを使用した電磁誘導による電圧の発生方法

これらの可変リラクタンスセンサーは、ファラデーの電磁誘導の原理に基づいて動作します。ほとんどのエンジン内部には、永久磁石とコイルが組み合わされ、クランクシャフトに接続された特殊な歯付きホイールとともに動作する構成があります。これらの歯が通過すると、部品間の隙間が変化し、磁場が変動することでコイル内に小さな電圧スパイクが発生します。その結果として得られるのは交流信号であり、これによりクランクシャフトの正確な位置と回転速度がわかります。この情報は、特にアナログシステムを用いる従来型の車両において、点火時期を設定する際にエンジン制御ユニットにとって極めて重要になります。

誘導式クランクシャフトセンサーの速度依存性信号特性

誘導式センサーの出力は、エンジンの回転数が上がるにつれて高くなります。アイドル時では通常約0.3ボルトの交流電圧が見られますが、6,000回転で強く吹かすと、これらのセンサーは最大4.8ボルトの交流電圧を発生させることがあります。しかし、100回転以下の領域では信号が非常に弱くなるため、状況が難しくなります。これにより点火時期のデータが信頼できなくなるため、多くの整備士が低速用途ではデジタルセンサーに切り替えています。エアギャップを適切に設定することも非常に重要です。ほとんどのメーカーは、それを0.5～1.5ミリメートルの間で保つことを推奨しています。隙間が正確でない場合、信号品質が低下し、エンジンが火花を欠くようになります。最近のセンサー設計には、異なる回転域にわたり安定した動作を維持するアダプティブなしきい値回路が組み込まれるようになりました。2022年のSAEデータによると、現在、9台中10台の内燃機関がこの技術を使用しています。