クランク角センサー
クランク角センサーは内燃機関のクランクシャフト回転位置（位相）と回転速度を検出する回転角センサーである。点火時期と燃料噴射時期の基準信号として機能し、エンジン制御ユニット（ECU）が各種演算（同期、失火監視、アイドル制御、過回転保護など）を行うための最重要入力の一つとなる。多くは歯車状のトーンホイール（例：60-2や36-1などの欠歯パターン）と、それを読み取る磁気誘導型またはホール素子型ピックアップで構成される。自動車、二輪、産業用エンジン、船外機など広範な用途で採用され、始動性、燃費、排出ガス、ドライバビリティの向上に直接寄与する。
動作原理と方式
原理は、回転するトーンホイールの歯先・歯谷によって磁界あるいは磁束密度が周期的に変化し、その変化を検出素子で電気信号へ変換するというものである。磁気誘導型は相対速度変化で起電力（近似的に正弦波）を得るため始動回転時の出力が小さくなる傾向がある。一方ホール素子型は磁束密度の差をスイッチング出力（方形波）として取り出せるため、低速での検出安定性と波形整形のしやすさに利点がある。
磁気誘導型の特徴
磁気誘導型は受動素子で電源が不要、構造が簡素で高温環境に強い。高回転域で信号振幅が大きくなるためノイズ耐性が高まりやすい反面、低回転での出力低下とエアギャップ依存性が設計上の課題となる。信号はアナログであり、ECU側でしきい値判定やコンパレータによるゼロクロス検出が必要である。
ホール素子型の特徴
ホール素子型は内部にアンプや整形回路を備えたIC化が進み、広い温度範囲で安定したデジタル波形を提供する。低速クランキング時でも確実にパルスを提供できる利点があり、欠歯パターンの識別も容易である。供給電源と適切なプルアップ設計、EMC対策が必須となる。
センサー構成要素
- トーンホイール（ピックアップロータ）：モジュールや歯数、欠歯数がキャリブレーションに直結する。
- 検出素子：磁気誘導コイルまたはホールIC。耐熱、耐振、耐油性が要求される。
- ハウジング・ブラケット：取付剛性とギャップ安定性を担保する。取付ボルトの締結力管理が重要。
- ハーネス・コネクタ：ツイストペアやシールドで伝送ノイズを抑える。
信号処理とECU制御
ECUは立上り・立下りエッジをカウントし、歯間の経過時間から瞬時回転数を算出する。欠歯パターンの長い無信号区間を検出して絶対位相の基準を確立し、カム角センサーと組み合わせて各気筒の上死点判定を行う。これにより点火コイル駆動、インジェクタ噴射時期、アイドル制御、失火検知（OBD-II準拠）などを同期させる。
代表的なパターン設計
60-2方式は360°を6°刻みに相当する60歯から2歯分を欠落させ、欠歯によって基準位置をマーキングする設計である。36-1も同様に10°刻み相当で扱いやすい。歯形、圧延・切削・焼結などの製法、表面処理や磁化特性、偏芯や振れの管理は回転ムラや誤検出の回避に直結する。
設計パラメータと実装上の勘所
- エアギャップ：センサー先端と歯先の隙間は感度・ノイズ耐性に影響する。熱膨張と振動を見込んだ最小・最大許容値を設計する。
- 同軸度・振れ：クランク端の振れ、フライホイール偏心は波形歪を生むため公差設計とバランス取りが要件となる。
- 温度・環境：-40〜150℃級の高温対応、油霧・粉塵・水分に対する封止（例：IP規格相当）を考慮する。
- EMC：伝導・放射ノイズ、ESD、ISO 7637相当の過渡サージを想定し、フィルタやシールド、グランド設計を実施する。
故障モードと症状
典型的な故障はコイル断線・短絡、ホールICの故障、ハーネス断線、トーンホイール汚損や欠け、ギャップ外れなどである。症状は始動不能、失火、息つき、回転計の不動、フェイルセーフによる出力低下など。ECUは信号喪失やエッジ飛びを監視し、DTCを記録してサービス診断に供する。
診断と評価手法
- オシロスコープ観測：誘導型は正弦波の振幅・ゼロクロス、ホール型はデューティやエッジ整合性、欠歯区間の長さを確認する。
- 回転治具評価：既知回転数で波形と位相遅れ、温度依存性を測定する。
- 取り付け検証：ギャップゲージで隙間を測り、ブラケット剛性や熱変形の再現試験を行う。
カム角センサーとの関係
クランク角は全気筒共通の回転基準であり、カム角は吸排気行程の位相識別を提供する。両者の組み合わせにより同期始動時間を短縮し、ミスファイア診断精度を高めることができる。非常時にはクランク角のみで推定制御を行う戦略もあるが、噴射や可変バルブ機構の最適化精度は低下する。
ハイブリッド・アイドルストップでの役割
ハイブリッドやアイドルストップ車では、停止状態からの素早い再始動が重視される。モータクランキングと燃焼立ち上がりを同期させるため、クランク角センサーの初期パルス検出と欠歯認識の確実性が重要である。スタータ発進時の低速領域でも安定した位相情報を供給できる設計が求められる。
製造と品質管理
トーンホイールの歯形ばらつき、偏芯、表面処理、磁気特性は信号品質を左右する。検出素子のポッティング条件、はんだ接合の熱疲労、コネクタ嵌合信頼性、ハーネスの曲げ耐久なども量産品質の要点である。工程内検査では回転試験と電気特性検査を組み合わせてトレーサビリティを確保する。
安全・機能要件
パワートレインでは機能安全の観点から冗長性や診断機能が求められる。例として信号合理性チェック（エッジ欠落、周波数不整合、車速やスロットル開度との相関）や、カム信号との相互監視が挙げられる。フェイル時のバックアップ制御（固定点火・リミッターなど）を備えることで安全側に遷移させる。
関連する周辺要素
- 機械要素：クランクシャフト、フライホイール、プーリなどの同心度・バランス。
- 電装：電源品質、グランドレイアウト、CAN等の車載ネットワークとの協調。
- サービス：DTC読出し、波形点検、ギャップ測定、取付ボルトの締結再確認。
用語と略号
- ECU：Engine Control Unit。エンジン制御ユニット。
- DTC：Diagnostic Trouble Code。自己診断故障コード。
- OBD-II：On-Board Diagnostics。車載自己診断規格。
- IP：Ingress Protection。筐体の防塵防水等級。
コメント（β版）