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【発明の名称】 変位計及び変位量測定方法
【発明者】 【氏名】高橋 文治

【氏名】秋月 幸男

【氏名】河野 将弥

【氏名】前川 和彦

【氏名】角田 明

【氏名】鈴木 元

【氏名】諸星 彰三

【氏名】荒井 幸廣

【氏名】山田 秀俊
【要約】 【課題】本発明は、リード線の断線や多大な労力を生じることがないとともにリング本来の運動を損なうことなく、リング上下動、リング回転、リングの油膜厚さ、転がり軸受けの転動体通過等を検知でき、計測準備期間の短縮、コスト低減及び信頼性の向上を図ることを課題とする。

【解決手段】強磁性材料からなる被測定物の変位量を測定する変位計において、前記被測定物と対向して配置されたホール素子２２と、このホール素子２２の背面に配置された磁石２３とを具備することを特徴とする変位計。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 強磁性材料からなる被測定物の変位量を測定する変位計において、前記被測定物と対向して配置されたホール素子と、このホール素子の背面に配置された磁石とを具備することを特徴とする変位計。
【請求項２】 ピストンにセットされたピストンリングの上下方向の運動を測定するための変位計であり、前記ピストンリングの近くのピストンに凹部が形成され、この凹部に配置されたアクティブ側の第１ホール素子と、前記凹部に前記第１ホール素子と対向して配置されたダミー側の第２ホール素子と、前記第１・第２ホール素子間に絶縁物を介して配置された磁石と、前記第１・第２ホール素子に接続されたリード線とを具備することを特徴とする請求項１記載の変位計。
【請求項３】 シリンダライナで囲まれたピストンリングの回転を測定するための変位計であり、前記ピストンリングの近くの前記シリンダライナに凹部が形成され、この凹部に配置されたアクティブ側の第１ホール素子と、前記凹部に前記第１ホール素子と対向して配置されたダミー側の第２ホール素子と、前記第１・第２ホール素子間に絶縁物を介して配置された磁石と、前記第１・第２ホール素子に接続されたリード線とを具備することを特徴とする請求項１記載の変位計。
【請求項４】 シリンダライナと、このシリンダライナに囲まれたピストンにセットされたピストンリングとの間に介在する油膜の厚さを測定する変位計であり、ピストンリングの近くのピストンに凹部が形成され、この凹部に配置されたアクティブ側の第１ホール素子と、前記凹部に前記第１ホール素子と対向して配置されたダミー側の第２ホール素子と、前記第１・第２ホール素子間に絶縁物を介して配置された磁石と、前記第１・第２ホール素子に接続されたリード線とを具備することを特徴とする請求項１記載の変位計。
【請求項５】 ピストンに連結する連接棒に設けられた大端部軸受と、この大端部軸受と係合する軸心との間に介在する油膜の厚さを測定する変位計であり、前記大端部軸受に凹部が形成され、この凹部に配置されたアクティブ側の第１ホール素子と、前記凹部に前記第１ホール素子と対向して配置されたダミー側の第２ホール素子と、前記第１・第２ホール素子間に絶縁物を介して配置された磁石と、前記第１・第２ホール素子に接続されたリード線とを具備することを特徴とする請求項１記載の変位計。
【請求項６】 ケーシングと、このケーシングの内側に転動体を介して配置された回転軸と、前記ケーシングを押える軸受け押えとを有する転がり軸受けに使用される、転動体の通過を検出する変位計であり、前記転動体の近くの軸受け押えに凹部が形成され、この凹部に配置されたアクティブ側の第１ホール素子と、前記凹部に前記第１ホール素子と対向して配置されたダミー側の第２ホール素子と、前記第１・第２ホール素子間に絶縁物を介して配置された磁石と、前記第１・第２ホール素子に接続されたリード線とを具備することを特徴とする請求項１記載の変位計。
【請求項７】 強磁性材料からなる被測定物の変位量を測定する変位量測定方法において、前記被測定物と対向して配置されたホール素子と、このホール素子の背面に配置された磁石とを用い、前記被測定物を前記ホール素子に対して近づけたり、遠ざけたりすることにより、ホール素子上の磁場を変化させ、変位量を電圧として検出することを特徴とする変位量測定方法。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、特にエンジンのピストンの熱変形によるピストリングの挟み込みや、潤滑状態等の現象を把握するために、ピストリングの上下動、回転、油膜厚さ、転動体の通過等を検知する変位計及び変位量測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】周知の如く、エンジンのオイル上がりのメカニズムを解明するためや、ピストンの熱変形によるピストンリングの挟み込み等の現象が生じていないかの確認をするために、ピストンリングの上下方向の動きを測定することがある。
【０００３】リング挙動の測定は、有線方式で実施するときには、図１（Ａ），（Ｂ）に示すような構成を採用している。ここで、図１（Ａ）はリング挙動計測装置の全体図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のセンサの詳細図を示す。
【０００４】図中の符番は１、筒状のシリンダライナ２で囲まれたピストンを示す。前記ピストン１は、左右に動く連接棒３やクランク軸４、リンク装置５が接続されている。前記シリンダライナ２寄りの前記ピストン１の外周壁には、複数のリング状の溝１ａ、および加工穴１ｂが形成され、一方の溝１ａにはピストンリング６が装着されている。さらに加工穴１ｂには渦電流式変位センサ７が埋め込まれている。このセンサ７は、図１（Ｂ）に示すように、絶縁物８ａにコイル８ｂが巻かれている。前記センサ７にはリード線９が接続されており、このリード線９は可動部であるピストン１、連接棒３、リンク装置５を経由してアンプ１０や記録計１１に電気的に接続されている。
【０００５】また、従来、図２（Ａ），（Ｂ）に示すように、テレメータ方式のリング挙動計測装置が知られている。なお、図２（Ｂ）は図２（Ａ）の装置の要部の拡大図を示す。このテレメータ方式は、可動部から受信側である静止側へ信号を伝送するものである。なお、図１と同部材は同符号を付して説明を省略する。市販テレメータシステムのトランスミッタ部は、歪みゲージ１３で物理量を検出する方式が一般的である。このため、ピストンリング６の上下動の検出は、感知レバー１２の根元に歪みゲージ１３を貼り、ピストンリング６の変位量を抵抗変化として検出し、トランスミッタ１４を介して送信アンテナ１５から受信アンテナ１６を有した信号復調器（レシーバ）１７へ信号が伝送されるシステムとなっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、有線方式の装置の場合、リード線９が可動部であるピストン１、連接棒３、リンク装置５を経由するため、リード線９の耐久性に欠け、断線する確率が高い欠点がある。また、リンク装置５の設計に多くの労力を要する欠点がある。
【０００７】一方、テレメータ方式の装置の場合、感知レバー１２が接触式のため、ピストンリング６に対して感知レバー１２にバネ力を加えねばならず、リング本来の運動を損なう欠点がある。
【０００８】本発明はこうした事情を考慮してなされたので、ホール素子と磁石を組み合わせて変位センサとして用いる構成とすることにより、従来のようにリード線の断線や多大な労力を生じることがないとともにリング本来の運動を損なうことなく、リング上下動やリング回転やリングの油膜厚さや転がり軸受けの転動体通過検出等を検知でき、もって計測準備期間の短縮、コスト低減及び信頼性の高い変位計及び変位量測定方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本願第１の発明は、強磁性材料からなる被測定物の変位量を測定する変位計において、前記被測定物と対向して配置されたホール素子と、このホール素子の背面に配置された磁石とを具備することを特徴とする。
【００１０】本願第２の発明は、強磁性材料からなる被測定物の変位量を測定する変位量測定方法において、前記被測定物と対向して配置されたホール素子と、このホール素子の背面に配置された磁石とを用い、前記被測定物を前記ホール素子に対して近づけたり、遠ざけたりすることにより、ホール素子上の磁場を変化させ、変位量を電圧として検出することを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下に、本発明を更に詳しく説明する。テレメータ方式による信号検出は、図３に示すようにホイーストンブリッジ部に一定の電圧（又は電流）を加え、アクティブゲージ２１の抵抗変化を電圧として検出するブリッジ回路を構成している。
【００１２】そこで、図４及び図５に示すように、発振器からの印加電圧をホール素子２２に加えるとともに、ホール素子２２の背面に磁石２３を設置しておく。リング２４等の強磁性体をホール素子２２に対して近づけたり、遠ざけたりすると、ホール素子上の磁場も変化するので、変位量を電圧として検出することができる。さらに、その信号を増幅器側に結線することにより、変位信号を発信器を介してテレメータで電送することができる。なお、図４中の付番２０は、可変抵抗器（回路の初期平衡に使う）を示す。
【００１３】前記ホール素子２２は、図６に示すように、素子に一定電流を加えておくと、素子に対して垂直に作用する磁場の大きさに応じた電圧を出力する特性を有している。また、一定の電圧を加えた場合にも磁場の大きさに応じた出力電圧が得られる事が知られている。なお、定電流方式の場合は、ＶH＝Ｒｈ／ｄ×Ｉｃ×Ｂとなり、定電圧方式の場合は、ＶH＝μｈ×Ｗ／Ｌ×Ｖin×Ｂとなる。但し、ＶH：ホール出力電圧、Ｉｃ：制御電流、Ｒｈ：ホール係数、μｈ：半導体の電子移動度、Ｖin：入力電圧、Ｗ：受感部の幅、Ｌ：受感部の長さを示す。
【００１４】前記ホール素子（Ｈａ）を図１９に示すような回路とし、ホール素子を図２０に示すような配置した場合、例えば２６℃における距離ｈと出力電圧との関係は図２１に示す通りとなる。また、距離１ｍｍの時におけるドリフト量を調べたところ、雰囲気温度と出力電圧との関係は図２２に示す通りとなる。なお、強磁性体としてはＳ４５Ｃを用いた。
【００１５】ところで、ピストンリングの温度雰囲気は、１００℃を超えることが予想され、温度に対する出力電圧のドリフト制御対策を講じておく必要がある。また、磁石は温度が上がると保持力が減磁するとともに、ホール素子も温度変化に対しても抵抗変化し出力電圧がドリフトする。従って、図７及び図８に示すように、２つのホール素子、つまりホール素子（アクティブ）２５、ホール素子（ダミー）２６を用い、温度変化分をキャンセルする必要がある。なお、図８において、付番２７は強磁性体からなるセンサーケースを示す。このセンサーケース２７内には、底から順に非磁性体からなるセラミックス板２８ａ、ホール素子２６、非磁性体からなるセラミックス板２８ｂ、磁石２３、磁性体からなるセラミックス板２８ｃ及びホール素子２５が順次積層されている。こうした積層体は、センサーケース２７内で非磁性体からなる高温用樹脂２９により封止されている。
【００１６】前述したアクティブ側のホール素子（Ｈａ）、ダミー側のホール素子（Ｈｄ）を図２３に示すような回路とし、ホール素子を図２４に示すような配置した場合、例えば２８℃，１００℃における距離ｈと出力電圧との関係は図２５に示す通りとなる。また、距離１ｍｍの時におけるドリフト量を調べたところ、雰囲気温度と出力電圧との関係は図２６に示す通りとなる。なお、強磁性体としては１つのホール素子（Ｈａ）の場合と同様、強磁性体Ｓ４５Ｃを用いた。
【００１７】上記第１の発明の態様としては、次の変位計が含まれる。
（１）ピストンにセットされたピストンリングの上下方向の運動を測定するための変位計であり、前記ピストンリングの近くのピストンに凹部が形成され、この凹部に配置されたアクティブ側の第１ホール素子と、前記凹部に前記第１ホール素子と対向して配置されたダミー側の第２ホール素子と、前記第１・第２ホール素子間に絶縁物を介して配置された磁石と、前記第１・第２ホール素子に接続されたリード線とを具備することを特徴とする変位計。
【００１８】（２）シリンダライナで囲まれたピストンリングの回転を測定するための変位計であり、前記ピストンリングの近くの前記シリンダライナに凹部が形成され、この凹部に配置されたアクティブ側の第１ホール素子と、前記凹部に前記第１ホール素子と対向して配置されたダミー側の第２ホール素子と、前記第１・第２ホール素子間に絶縁物を介して配置された磁石と、前記第１・第２ホール素子に接続されたリード線とを具備することを特徴とする変位計。
【００１９】（３）シリンダライナと、このシリンダライナに囲まれたピストンにセットされたピストンリングとの間に介在する油膜の厚さを測定する変位計であり、ピストンリングの近くのピストンに凹部が形成され、この凹部に配置されたアクティブ側の第１ホール素子と、前記凹部に前記第１ホール素子と対向して配置されたダミー側の第２ホール素子と、前記第１・第２ホール素子間に絶縁物を介して配置された磁石と、前記第１・第２ホール素子に接続されたリード線とを具備することを特徴とする変位計。
【００２０】（４）ピストンに連結する連接棒に設けられた大端部軸受と、この大端部軸受と係合する軸心との間に介在する油膜の厚さを測定する変位計であり、前記大端部軸受に凹部が形成され、この凹部に配置されたアクティブ側の第１ホール素子と、前記凹部に前記第１ホール素子と対向して配置されたダミー側の第２ホール素子と、前記第１・第２ホール素子間に絶縁物を介して配置された磁石と、前記第１・第２ホール素子に接続されたリード線とを具備することを特徴とする変位計。
【００２１】（５）ケーシングと、このケーシングの内側に転動体を介して配置された回転軸と、前記ケーシングを押える軸受け押えとを有する転がり軸受けに使用される、転動体の通過を検出する変位計であり、前記転動体の近くの軸受け押えに凹部が形成され、この凹部に配置されたアクティブ側の第１ホール素子と、前記凹部に前記第１ホール素子と対向して配置されたダミー側の第２ホール素子と、前記第１・第２ホール素子間に絶縁物を介して配置された磁石と、前記第１・第２ホール素子に接続されたリード線とを具備することを特徴とする変位計。
【００２２】
【実施例】以下、本発明の各実施例を図面を参照して説明する。
（実施例１）図９及び図１０を参照する。ここで、図９は実施例１に係る変位計の説明図、図１０はこの変位計に使用されるホール素子を用いた回路図を示す。但し、図９ではピストン部分は一部のみを図示している。
【００２３】図中の付番３１は磁性体からなるピストンを示す。このピストン３１の外周壁には、リング状の溝３２が形成されている。この溝３２には、ピストンリング３３が装着されている。また、前記溝３２の下部に対応するピストン３１には、変位計としてのセンサー３４の主要部が収納される凹部３５が形成されている。
【００２４】ここで、センサー３４は、ピストンリング３３側の凹部３５内に配置された第１のホール素子（アクティブ側）３６と、前記凹部３５内に前記第１のホール素子３６と対向して配置された第２のホール素子（ダミー側）３７と、前記第１のホール素子３６及び第２のホール素子３７間に非磁性体からなる絶縁物３８ａ，３８ｂを夫々介して配置された磁石３９と、前記第２のホール素子３７の下部側に配置された非磁性体からなる絶縁物３８ｃと、前記第１のホール素子３６及び第２のホール素子３７接続されたリード線４０とから構成されている。前記センサー３４の主要部である凹部３５内のホール素子３６、３７、磁石３９及び絶縁物３８ａ〜３８ｃは、非磁性体からなる樹脂４１により気密に封止されている。
【００２５】上記実施例１によれば、リング状の溝３２の下部に対応するピストン３１に凹部３５を形成し、この凹部３５にピストンリング３３に非接触の状態でセンサー３４を設けているとともに、市販のテレメータシステムが使用できるため、計測準備期間の短縮、計測コストの低減を実現できる。また、ピストンリング３３の拘束の有無が確認できる。
【００２６】（実施例２）図１１〜図１４を参照する。ここで、図１１は実施例２に係る変位計の説明図、図１２はこの変位計に使用されるホール素子を用いたセンサーの回路図、図１３は第１・第２のセンサーの出力と時間との関係を示す特性図、図１４は出力電圧と時間との関係を示す特性図を示す。本実施例２は、ピストンリングの回転を検知する例を示す。
【００２７】図中の付番４２は、ピストンリング３３を囲むシリンダライナを示す。また、前記ピストンリング３３の合い口隙間３３ａに対応するシリンダライナ４２には、第１のセンサー３４１を収容するための開口部（凹部）４３が設けられている。また、前記凹部４３の近くのシリンダライナ４２にも凹部４４が設けられ、この凹部４４に第２のセンサー３４２が設けられている。前記第１のセンサー３４１及び第２のセンサー３４２の出力は、図１２に示すように、オペアンプ３５ａ，３５ｂを経た後、オペアンプ３５ｃから取り出されるようになっている。なお、第１のセンサー３４１及び第２のセンサー３４２は実施例１のセンサーと同様な構成となっている。但し、第１のセンサー３４１の出力と時間との関係は図１３（Ａ）のように、第２のセンサー３４２の出力と時間との関係は図１３（Ｂ）のようになっている。
【００２８】実施例２によれば、ピストンリング３３を囲むシリンダライナ４２に凹部４３、４４を設け、これら凹部４３、４４に夫々第１のセンサー３４１及び第２のセンサー３４２を配置した構成となっているため、ピストントンリング３３の拘束の有無を確認できる。また、ピストンリング３３の合い口隙間３３ａの大きさによって出力電圧が変わるため、ピストンリングの磨耗量の計測も可能である。従って、リング交換時期等が予測でき、機関の信頼性向上に寄与できる。
【００２９】（実施例３）図１５を参照する。本実施例３は、シリンダライナとピストンリング間に介在する油膜厚さを検知する例を示す。通常、シリンダライナ４２とピストンリング３３間には、ピストン３１の上下動をスムーズにするために油４５が使用されている。ピストンリング３３が収納されている凹部３２と内側寄りに隣接したピストン３１には、センサー３４の主要部を収納する凹部４６が形成されている。センサー３４の構成は前述した通りである。
【００３０】実施例３によれば、ピストンリング４２の内側に隣接した位置にセンサー３４を配置した構成となっているため、ピストンリング４２の横方向（矢印Ａ方向）の動きを検知し、これにより前記油４５の厚さＴを測定できる。従って、機関の信頼性を向上できる。
【００３１】（実施例４）図１６及び図１７を参照する。ここで、図１６は変位計を組み込んだ転がり軸受けの全体図、図１７は前記変位計の説明図を示す。本実施例４は、転がり軸受けに使用される転動体の通過を検出する変位計の例を示す。
【００３２】図中の付番５１は、筒状のケーシングを示す。このケーシング５１の内側には、回転軸５２が該ケーシング５１と同軸に配置されている。前記ケーシング５１と回転軸５２間には、外輪５３と内輪５４と磁性体からなる保持器５５で囲まれた強磁性体からなる複数の鋼球（転動体）５６が配置されている。前記ケーシング５１、外輪５３は、中央部が開口した軸受け押え５７により支持されている。軸受け押え５７の開口部には、オイルシール５８を介して前記回転軸５２一端部が位置する。また、回転軸５２の一端部は前記内輪５４と係止するように鍔部５２ａを有している。
【００３３】前記鋼球５６と対応する軸受け押え５７には凹部５７ａが形成され、この凹部５７ａにセンサー（変位計）３４が配置されている。このセンサー３４は、図１７に示すように、アクティブ側の第１のホール素子３６と、この第１のホール素子３６と対向して配置されたダミー側の第２ホール素子３７と、前記第１・第２ホール素子３６、３７間等に非磁性体からなる絶縁物３８ａ，３８ｂ，３８ｃを介して配置された磁石３９と、前記第１・第２ホール素子に接続されたリード線４０と、リード線４０の一部を封止する樹脂４１とを有している。なお、図中の付番５９はセンサーケースを示す。
【００３４】実施例４によれば、鋼球５６と対応する軸受け押え５７に凹部５７ａを形成し、この凹部５７ａにセンサー３４を配置した構成になっているため、鋼球５６の通過を検出できるので、鋼球５６の公転数を把握でき、転がり軸受けの信頼性に寄与できる。
【００３５】（実施例５）図１８を照する。図１８は、図示しないピストンと連動する連接棒を示すもので、内部に変位計としてのセンサを有している。本実施例５は、大端部軸受けの油膜厚さを検知する例を示す。
【００３６】図中の付番６１は連接棒を示す。この連接棒６１には、軸心６２と連結する大端部軸受６３が取り付けられている。通常、軸心６２と大端部軸受６３間には、図示しない油が介在している。前記大端部軸受６３の周方向に沿う位置には、複数（例えば６個）の凹部が略同じ間隔で形成され、これら凹部にセンサ３４が夫々取り付けられている。これらのセンサ３４は、実施例でも述べたように、図１７のような構成となっている。前記センサ３４には、リード線４０を介してトランスミッタ６４、送信アンテナ６５が接続されている。一方、前記連接棒６１と離間した位置には、受信アンテナ６６を備えた復調器６７が配置されている。
【００３７】実施例５によれば、軸心６２の外側に位置する大端部軸受６３に複数の凹部を設け、これらの凹部に夫々センサ３４を配置した構成となっているため、軸心６１の半径方向の動きを検知し、これにより軸心６２と大端部軸受６３間の油の厚さを測定できる。また、センサ３４からの情報をトランスミッタ６４、送信アンテナ６６を介して復調器６７の受信アンテナ６６に送ることにより、軸心５２の挙動を計測することができる。
【００３８】
【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、ホール素子と磁石を組み合わせて変位センサとして用いる構成とすることにより、従来のようにリード線の断線や多大な労力を生じることがないとともにリング本来の運動を損なうことなく、リング上下動やリング回転やリングの油膜厚さや転がり軸受けの転動体通過検出等を検知でき、もって計測準備期間の短縮、コスト低減及び信頼性の高い変位計及び変位量測定方法を提供できる。
【出願人】 【識別番号】０００００６２０８
【氏名又は名称】三菱重工業株式会社
【出願日】 平成１１年１２月１５日（１９９９．１２．１５）
【代理人】 【識別番号】１０００５８４７９
【弁理士】
【氏名又は名称】鈴江 武彦 （外４名）
【公開番号】 特開２００１−１７４２０７（Ｐ２００１−１７４２０７Ａ）
【公開日】 平成１３年６月２９日（２００１．６．２９）
【出願番号】 特願平１１−３５５９７１