JP7148363B2 - 回転角検出装置 - Google Patents

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Description

本発明は回転角検出装置に関する。
クランクシャフトと連結されたセンサプレートを設けた内燃機関が知られている。センサプレートの外周面には突起部が設けられ、センサが突起部の通過を検知することで、回転角を計測する(例えば特許文献1)。
特開2007-315565号公報
センサは突起部の通過に伴う磁束の変化に基づき回転角を検出する。しかし、内燃機関の燃焼圧によりセンサプレートが振動することで、センサが検知する磁束が減少し、回転角の検出精度が低下してしまう。そこで回転角の検出精度の向上が可能な回転角検出装置を提供することを目的とする。
上記目的は、内燃機関のクランクシャフトと一体に回転し、外周面に複数の第1凸部を有するセンサプレートと、磁束に基づいて前記第1凸部の通過を検知することで、前記クランクシャフトの回転角を検出する回転角センサと、前記回転角センサに設けられ、前記回転角センサと前記センサプレートとの間に位置する磁束集中部と、を具備し、前記クランクシャフトとピストンとは連結され、前記センサプレートに最も近い前記ピストンの燃焼圧がピークとなる前記クランクシャフトの回転角に対して、前記センサプレートの周方向に所定角度ずれた位置に前記回転角センサが設けられ、前記磁束集中部は複数の第2凸部を有し、前記第1凸部および前記第2凸部はそれぞれ前記センサプレートの回転方向に並び、前記回転角センサが設けられる前記センサプレートの周方向に所定角度ずれた位置とは、前記燃焼圧がピークとなる前記クランクシャフトの回転角に対して90°、または90°から±5°の範囲内である内燃機関によって達成できる。また、2つの前記回転角センサが、前記ピストンの燃焼圧がピークとなる前記クランクシャフトの回転角に対して、前記センサプレートの周方向に所定角度ずれた位置に設けられてもよい。また、前記複数の第2凸部は、前記センサプレートに接触することなく、前記センサプレートの回転方向に沿って並び、前記センサプレートに向けて突出してもよい。

回転角の検出精度の向上が可能な回転角検出装置を提供できる。
図1(a)および図1(b)は第1実施形態に係る回転角検出装置を例示する斜視図である。 図2(a)は回転角検出装置100を例示する正面図であり、図2(b)は図2(a)の矢印A3の方向からクランクシャフトを見た図である。 図3は燃焼圧を例示する図である。 図4(a)および図4(b)は磁束集中機構を拡大した図である。図4(c)は電圧を例示する図である。 図5は磁気ヒステリシス曲線を例示する図である。 図6(a)は比較例におけるセンサプレートおよび回転角センサを例示する図であり、図6(b)は比較例における電圧を例示する図である。 図7(a)は第1実施形態におけるセンサプレートおよび回転角センサを例示する図であり、図7(b)は第1実施形態における電圧を例示する図である。 図8(a)および図8(b)は第2実施形態に係る回転角検出装置を例示する斜視図である。 図9は回転角検出装置をFr側から見た図である。
(第1実施形態)
以下、図面を参照して本実施形態の回転角検出装置100について説明する。図1(a)および図1(b)は第1実施形態に係る回転角検出装置100を例示する斜視図であり、後方右側(Rh側)から見ている。X軸方向はクランクシャフトの延伸方向であり、X軸、Y軸およびZ軸は互いに直交する。
図1(a)に示すように回転角検出装置100は内燃機関10に適用され、センサプレート20、回転角センサ30および磁束集中機構(図1(a)および図1(b)では不図示)を有する。
内燃機関10はシリンダブロック11およびオイルパン12を有する、例えばオフセット角60°のV6エンジンである。シリンダブロック11には6つの気筒14が設けられている。6つの気筒14のうち3つはZ軸に対して片側に傾斜して配置され、他の3つは他方の側に傾斜して配置されている。オイルパン12はシリンダブロック11の下側(-Z側)に取り付けられる。
図1(b)ではシリンダブロック11およびオイルパン12を透視している。図1(b)に示すようにクランクシャフト15はX軸方向に延伸する。コンロッド16の一端はクランクシャフト15に連結され、他端はピストンピンによりピストン18に連結される。コンロッド16およびピストン18は気筒14ごとに設けられる。
クランクシャフト15の-X側端部にセンサプレート20が取り付けられている。センサプレート20はYZ平面に広がる円板であり、外周面には複数のターゲット22(第1凸部)が設けられている。ターゲット22はセンサプレート20の回転方向に並び、径方向に突出する。センサプレート20およびターゲット22は金属で形成されている。6つのコンロッド16およびピストン18のうちセンサプレート20に最も近いもの、すなわち最も-X側のものをそれぞれコンロッド16aおよびピストン18aとする。クランクシャフト15のクランクアーム15aがコンロッド16aに連結される。
クランクシャフト15、コンロッド16、センサプレート20はシリンダブロック11内に収容される。燃料と吸気との混合気の燃焼によりピストン18は気筒14内を摺動する。コンロッド16を通じてピストン18の駆動力がクランクシャフト15に伝達され、矢印A1で示すようにクランクシャフト15はZ軸からY軸に向かう方向に回転する。センサプレート20はクランクシャフト15と同期して回転する。
図1(a)に示すようにシリンダブロック11のセンサプレート20と対向する位置に2つの回転角センサ30が設けられている。2つの回転角センサ30はYZ平面において、センサプレート20を挟んで対向する。図1(a)および図1(b)では後述の磁束集中機構32は省略している。回転角センサ30は、例えばホール素子および回路などを含み、センサプレート20のターゲット22が回転角センサ30を通過した際の磁場の変化を検知し、クランクシャフト15の回転角(クランク角)を測定する。
センサプレート20はピストン18の燃焼圧によりX軸方向に面振れ振動する。特に複数のピストン18のうちセンサプレート20に最も近いピストン18aの燃焼圧がセンサプレート20の振動の主な原因となる。
図2(a)は回転角検出装置100を例示する正面図であり、前方側(Fr側)から見ている。図2(a)においてセンサプレート20の回転方向は矢印A2で表す。コンロッド16a、ピストン18aおよびセンサプレート20を拡大し、シリンダブロック11、他のコンロッド16およびピストン18は省略している。
図1(a)から図2(a)に示す線分L1~L5は、いずれもクランクシャフト15の中心軸を通る。線分L1はZ軸方向に沿い、線分L2はY軸方向に沿う。線分L3はピストン18aの上死点(TDC:Top Dead Center)を通り、クランクシャフト15のクランクアーム15a、コンロッド16aおよびピストン18aは線分L3に沿って直線状に並ぶ。線分L4はピストン18aに加わる燃焼圧が最大となる位置を通る。線分L5は2つの回転角センサ30を結ぶ。
図2(a)に示すように、線分L1と線分L3とのなす角はθ1である。つまりピストン18aの上死点はZ軸方向から回転方向(遅角側)に角度θ1ずれている。線分L4と線分L3とのなす角はθ2である。つまりピストン18aの上死点から回転方向に角度θ2の位置で、ピストン18aに加わる燃焼圧は最大となる。
線分L5と線分L4とのなす角はθ3およびθ4である。つまり、2つの回転角センサ30のうち1つは、燃焼圧最大の位置から回転方向に角度θ3ずれた位置に設けられる。もう1つの回転角センサ30は、燃焼圧最大の位置から回転方向とは反対側に角度θ4ずれた位置に設けられる。角度θ3およびθ4は例えば90°である。
図3は燃焼圧を例示する図である。横軸は回転角を表し、縦軸はピストン18aに加わる燃焼圧を示す。ピストン18aの上死点(TDC)を0°とし、TDCよりも右側をATDC(After Top Dead Center)、左側をBTDC(Before Top Dead Center)とする。TDCを基準とし、回転角θ2において燃焼圧が最大となる。回転角がθ2+θ3またはθ4-θ2に近づくほど燃焼圧は低下し、ATDC側に回転角θ2+θ3、およびBTDC側に回転角θ4-θ2において燃焼圧は最低となる。
前述のように燃焼圧によってセンサプレート20は振動し、特に1次モードの共振は大きな振幅を有する。図2(a)に線分L4で示す位置は燃焼圧が最大となる位置であり、センサプレート20の振動の腹となり、センサプレート20の振幅も最大となる。一方、線分L5は線分L4から90°ずれた位置にあり、振動の節となり、センサプレート20の振幅は最小となる。
図2(b)は図2(a)の矢印A3の方向からクランクシャフト15を見た図であり、正面が線分L5の方向である。センサプレート20付近の点線は、振動するセンサプレート20を表す。線分L4に対応する方向では矢印で示すようにセンサプレート20が大きく振動する。一方、線分L5に対応する位置ではセンサプレート20の振幅が小さい。
(回転角センサおよび磁束集中機構)
次に回転角センサ30および磁束集中機構32について説明する。図4(a)および図4(b)は磁束集中機構32を拡大した図である。図4(a)、図4(b)および図2(a)に示すように、回転角センサ30の先端には磁束集中機構32が取り付けられており、磁束集中機構32は回転角センサ30とセンサプレート20との間に位置する。磁束集中機構32はセンサプレート20に接触しておらず、センサプレート20と磁束集中機構32との間には隙間が形成される。磁束集中機構32は例えば5個の凸部34(第2凸部)を有する。凸部34はセンサプレート20の回転方向に沿って並び、センサプレート20に向けて突出する。凸部34の数は5個以外でもよく、2個以上、6個以上など複数である。
図4(a)に示す隣り合う凸部34間のピッチpは、回転角センサ30の直径d0よりも小さい。ターゲット22のピッチは例えば凸部34のピッチpと同程度である。センサプレート20のターゲット22の幅W1と凸部34の幅W2とは例えば等しく、幅W1およびW2はp/2より小さい。
図4(a)および図4(b)において、センサプレート20の回転方向を矢印A4で示す。センサプレート20の回転に伴い図4(a)の状態と図4(b)の状態とが交互に繰り返される。図4(a)の例では、凸部34のそれぞれがターゲット22に対向し、これらはセンサプレート20の径方向において距離d1を空けて離間する。このとき、凸部34とターゲット22との間で磁束密度が高くなる。
一方、図4(b)の例では、凸部34はターゲット22に対向せず、2つのターゲット22間に位置し、回転方向において凸部34とターゲット22との間に距離d2の隙間が生じる。図4(a)の例に比べて、凸部34とターゲット22との距離が大きくなるため、磁束密度が低下する。回転角センサ30は、上記のようなセンサプレート20の回転に伴う磁束の変化に応じた電圧を検出する。
図4(c)は電圧を例示する図である。横軸は時間を表し、縦軸は回転角センサ30が検知する電圧を表す。センサプレート20の回転に応じて、電圧はV1からV2の間で周期的に変化する。図4(a)のようにターゲット22が磁束集中機構32の凸部34と対向したとき、磁束密度が高くなり、回転角センサ30は電圧V1を検出する。図4(b)のようにターゲット22が凸部34に対向しないとき、磁束密度が低くなり、回転角センサ30はV1よりも低い電圧V2を検出する。V1とV2との差が信号の大きさであり、V2はノイズの大きさである。電圧V1が大きく、電圧V2が小さいほどS/N比が高くなり、クランク角の検出精度が向上する。
図5は磁気ヒステリシス曲線を例示する図である。横軸は磁場Hを表し、縦軸は磁束密度Bを表す。透磁率μは傾きB/Hで表される。磁束集中機構32は空気より大きな透磁率μを有し、かつ大きな飽和磁束密度C、および小さな保磁力Eを有することが好ましい。磁束集中機構32は例えばパーマロイ、およびマンガン-亜鉛(Mn-Zn)系フェライトなどで形成されている。
(信号の比較)
第1実施形態と比較例とで回転角センサ30が検出する信号を比較する。図6(a)は比較例におけるセンサプレート20および凸部34を例示する図であり、線分L4を上下方向とする。図6(b)は比較例における電圧を例示する図である。
図6(a)に示す比較例では、回転角センサ30および磁束集中機構32を線分L4に対応する位置、すなわち振動の腹に設ける。図中に点線で示すように、振動の腹ではセンサプレート20が大きく振動するため、センサプレート20の軌道もばらつき、凸部34の中心からセンサプレート20までの距離はd1とd3との間で変化する。なお、距離d1はセンサプレート20が凸部34の中心を通過するときの間隔であり、距離d3はセンサプレート20の振幅が最大になったときの間隔であり、d1より大きい。
図6(b)の横軸は時間を表し、縦軸は電圧を表す。ターゲット22の通過に伴う電圧の変化は、図6(b)において実線で示されている。図6(b)の期間T1ではセンサプレート20が凸部34の中心付近を通過し、距離は図6(a)のd1である。このときノイズは最小となる。
一方、期間T2ではセンサプレート20の振幅が最大となる。センサプレート20は例えば凸部34に重ならない位置まで振動し、距離はd3となる。したがって、ターゲット22と凸部34との間における磁束密度が低下し、回転角センサ30が検出する電圧も低くなる。例えば図4(a)のようにターゲット22が凸部34を通過する際に、センサプレート20が大きく振動することで、距離が大きくなり、電圧V1が低下してしまう。すなわち、状態の変化に応じた電圧の違いが小さくなる。この結果、ノイズが大きくなり、S/N比が悪化する。
図7(a)は第1実施形態におけるセンサプレート20および凸部34を例示する図であり、線分L5を上下方向とする。図7(b)は第1実施形態における電圧を例示する図である。
図7(a)に示す第1実施形態では、回転角センサ30および磁束集中機構32を線分L5に対応する位置、すなわち振動の節に設ける。このため比較例に比べて、回転角センサ30付近においてセンサプレート20の振動が小さくなり、軌道のばらつきが小さくなる。この結果、凸部34の中心からセンサプレート20までの距離は、比較例に比べてd1近傍の範囲に集中する。
図7(b)の期間T3では線分L5に沿った位置においてセンサプレート20の振幅が最小であり、センサプレート20が凸部34の中心付近を通過し、回転角センサ30の中心とセンサプレート20との距離は図7(a)のd1である。このときノイズは最小となる。一方、期間T4では線分L5に沿った位置においてセンサプレート20の振幅が最大となるが、比較例の期間T2における振幅よりは小さい。したがって距離も小さくなる。
センサプレート20の振幅が小さい位置に回転角センサ30を設けることで、凸部34の中心とセンサプレート20との距離が小さくなり、磁束密度は高くなる。したがって回転角センサ30は、ターゲット22の通過に応じた電圧を検出する。すなわち、図4(a)のようにターゲット22が凸部34に対向する状態と、図4(b)のように凸部34に対向しない状態とにおける、電圧の違いが大きくなる。この結果、図7(b)に示すようにノイズが小さくなり、S/N比が改善する。
第1実施形態によれば、図2(a)に示すように、上死点から角度θ2遅角した位置において燃焼圧がピークとなる。回転角センサ30は、ピーク位置から角度θ3およびθ4(ともに90°)ずれた位置に設けられる。すなわち、センサプレート20の振幅が最小となる振動の節に回転角センサ30が設けられる。したがって、図7(a)および図7(b)に示すように、センサプレート20は回転角センサ30の中心付近を通過し、S/N比が改善する。この結果、回転角の分解能など検出精度が向上する。
複数のピストン18のうちセンサプレート20に最も近いピストン18aの燃焼圧が、センサプレート20の振動に影響する。したがって、図3に示すピストン18aの燃焼圧のピーク位置である角度θ2を振動の腹、ピーク位置からθ3およびθ4の位置を振動の節とし、回転角センサ30は振動の節に設ける。角度θ3およびθ4は90°としたが、例えば90°から製造誤差の範囲内の角度を含んでもよい。また、ピーク位置に比較して燃焼圧および振幅が低下する範囲、例えば90°から±5°の範囲、±2°の範囲、±1°の範囲などでもよい。
例えば点火プラグの点火時期などに応じて燃焼圧がピークとなる角度θ2は変化し得る。点火時期が最大トルク点火時期(MBT)のとき他の点火時期に比較してセンサプレート20の振幅が大きくなる。したがって、回転角センサ30は、点火時期がMBTのときの燃焼圧のピーク位置からθ3またはθ4の角度に設けることが好ましい。
磁束集中機構32を回転角センサ30に設けることで、磁束集中機構32を設けない場合と比較して、磁束密度が高くなる。回転角センサ30は、磁束集中機構32により集中する磁束を検知する。このためターゲット22の通過に対する感度が向上し、検出精度が高くなる。
凸部34の幅W2が例えばピッチpよりも大きいと、センサプレート20が回転しても凸部34は複数のターゲット22のいずれかと対向し、図4(b)の状態にならない。図4(c)に示した電圧V2が高くなり、S/N比が悪化する。そこで、磁束集中機構32の凸部34の幅W2はピッチpより小さく、特にp/2未満であることが好ましい。これにより図4(a)のように凸部34がターゲット22に対向する状態と、図4(b)のようにターゲット22に対向しない状態とが実現される。図4(c)に示した電圧V2が十分低くなり、S/N比が改善する。
回転角の分解能を向上させるためには、例えばセンサプレート20の直径を大きくしてターゲット22の数を増やしてもよいし、ターゲット22間のピッチpを小さくしてもよい。ただし、センサプレート20の直径を大きくすると面振れ振動の振幅が増大する。また、ピッチpを小さくすると、振幅がピッチpに対して相対的に大きくなる。第1実施形態のように、回転角センサ30を振幅が最小となる位置に設けることで、S/N比を効果的に低下させ、分解能を向上させることができる。なお、ピッチpを小さくする場合、磁束の大きさを維持するため、凸部34の幅W2および距離d1も小さくすればよい。回転角センサ30の直径d0は変化させなくてよい。ターゲット22の幅W1は例えば凸部34の幅W2に等しくてもよいし、W2より大きくてもよいし、小さくてもよい。
図1(a)および図1(b)ではセンサプレート20をクランクシャフト15の後方端に取り付けたが、クランクシャフト15の任意の位置に設けてもよい。センサプレート20の直径を大きくするため、センサプレート20はクランクシャフト15の後方端または前方端に取り付けることが好ましい。また、回転角センサ30は1つでもよい。
(第2実施形態)
図8(a)および図8(b)は第2実施形態に係る回転角検出装置200を例示する斜視図である。第1実施形態と同じ構成については説明を省略する。回転角検出装置200は内燃機関10aに適用される。内燃機関10aは4つの気筒14を有する直列四気筒(L4)エンジンであり、気筒14に対応して4つのコンロッド16および4つのピストン18を有する。4つのコンロッド16およびピストン18のうち、センサプレート20に最も近いものをコンロッド16bおよびピストン18bとする。クランクシャフト15のクランクアーム15bがコンロッド16bに連結される。
図9は回転角検出装置200をFr側から見た図である。図9においてセンサプレート20の回転方向は矢印A5で表す。図8(a)から図9に示す線分L1、L2、L6およびL7は、いずれもクランクシャフト15の中心軸を通る。線分L1はZ軸方向に沿い、ピストン18bの上死点を通る。クランクシャフト15のクランクアーム15b、コンロッド16bおよびピストン18bは線分L1に沿って直線状に並ぶ。線分L6はピストン18bに加わる燃焼圧が最大となる位置を通る。線分L7は2つの回転角センサ30を結ぶ。
線分L1と線分L6とのなす角はθ5である。つまりピストン18bの上死点から回転方向に角度θ5の位置で、ピストン18bに加わる燃焼圧は最大となる。線分L6と線分L7とのなす角はθ6およびθ7である。つまり、2つの回転角センサ30のうち1つは、燃焼圧最大の位置から回転方向に角度θ6ずれた位置に設けられる。もう1つの回転角センサ30は、燃焼圧最大の位置から回転方向とは反対側に角度θ7ずれた位置に設けられる。角度θ6およびθ7は例えば90°である。
第2実施形態によれば、第1実施形態と同様に、センサプレート20の振幅が最小となる振動の節に回転角センサ30が設けられる。したがって、図7(a)および図7(b)に示すように、センサプレート20は回転角センサ30の中心付近を通過し、S/N比が改善する。この結果、回転角の分解能など検出精度が向上する。
第1実施形態ではV6エンジン、第2実施形態ではL4エンジンの例を示したが、内燃機関はこれに限定されない。内燃機関の気筒の数および配置に応じて、センサプレート20および回転角センサ30を設ければよい。
以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
10、10a 内燃機関
11 シリンダブロック
12 オイルパン
14 気筒
15 クランクシャフト
15a、15b クランクアーム
16、16a、16b コンロッド
18、18a、18b ピストン
20 センサプレート
22 ターゲット(第1凸部)
30 回転角センサ
32 磁束集中機構
34 凸部(第2凸部)
100、200 回転角検出装置

Claims (3)

  1. 内燃機関のクランクシャフトと一体に回転し、外周面に複数の第1凸部を有するセンサプレートと、
    磁束に基づいて前記第1凸部の通過を検知することで、前記クランクシャフトの回転角を検出する回転角センサと、
    前記回転角センサに設けられ、前記回転角センサと前記センサプレートとの間に位置する磁束集中部と、を具備し、
    前記クランクシャフトとピストンとは連結され、
    前記センサプレートに最も近い前記ピストンの燃焼圧がピークとなる前記クランクシャフトの回転角に対して、前記センサプレートの周方向に所定角度ずれた位置に前記回転角センサが設けられ、
    前記磁束集中部は複数の第2凸部を有し、
    前記第1凸部および前記第2凸部はそれぞれ前記センサプレートの回転方向に並び、
    前記回転角センサが設けられる前記センサプレートの周方向に所定角度ずれた位置とは、前記燃焼圧がピークとなる前記クランクシャフトの回転角に対して90°、または90°から±5°の範囲内である回転角検出装置。
  2. 2つの前記回転角センサが、前記ピストンの燃焼圧がピークとなる前記クランクシャフトの回転角に対して、前記センサプレートの周方向に所定角度ずれた位置に設けられる請求項1に記載の回転角検出装置。
  3. 前記複数の第2凸部は、前記センサプレートに接触することなく、前記センサプレートの回転方向に沿って並び、前記センサプレートに向けて突出する請求項1または2に記載の回転角検出装置。
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