回転軸支持構造
【課題】回転軸とすべり軸受との摺動面間に介在される油膜の厚さの検出精度を向上させることが可能であり、信頼性を向上させることが可能な回転軸支持構造を提供する。
【解決手段】内燃機関クランクシャフトは、アッパーメタルおよびロアーメタル８からなる軸受メタルを介して、シリンダブロックおよびこのシリンダブロックに一体的に取り付けられるクランクキャップに回転自在に支持されている。クランクシャフトのジャーナル部２２とメタル摺動面間には油膜Ａが介在されている。上記油膜Ａの厚さを検出する検出装置は、一対の電極９１，９２を備え、一方の電極９１は、ロアーメタル８の摺動面に形成されている。そして、一方の電極９１は、絶縁層９１ｂ、電極層９１ａ、保護層９１ｃを有する薄膜電極として構成されている。
【解決手段】内燃機関クランクシャフトは、アッパーメタルおよびロアーメタル８からなる軸受メタルを介して、シリンダブロックおよびこのシリンダブロックに一体的に取り付けられるクランクキャップに回転自在に支持されている。クランクシャフトのジャーナル部２２とメタル摺動面間には油膜Ａが介在されている。上記油膜Ａの厚さを検出する検出装置は、一対の電極９１，９２を備え、一方の電極９１は、ロアーメタル８の摺動面に形成されている。そして、一方の電極９１は、絶縁層９１ｂ、電極層９１ａ、保護層９１ｃを有する薄膜電極として構成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転軸をすべり軸受を介してハウジングに回転自在に支持する回転軸支持構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車用エンジン等の機関では、各種の回転軸がすべり軸受を介して軸受ハウジングに回転自在に支持される。一例を挙げると、自動車用エンジンでは、クランクシャフトのジャーナル部が、すべり軸受としての軸受メタルを介してシリンダブロックに回転自在に支持されている。クランクシャフトのジャーナル部と軸受メタルとの摺動面間には、油膜が形成されるようになっている。
【０００３】
上述のような回転軸支持構造では、すべり軸受の軸受幅を大きくするほど、受圧面積が大きくなるので、油膜が保持されやすくなって耐焼付き性が向上する傾向となる反面、フリクションが大きくなる傾向となる。逆に、すべり軸受の軸受幅を小さくするほど、受圧面積が小さくなるので、フリクションが小さくなる傾向となる反面、耐焼付き性が低下する傾向となる。
【０００４】
このように、油膜厚さは、すべり軸受の設計上、最も重要な情報の１つである。また、駆動中において、油膜厚さをモニタすることは、回転軸やすべり軸受の損傷を素早く検出したり、損傷の発生を未然に回避するうえで有効である。油膜厚さの検出は、例えば、回転軸とすべり軸受との間の静電容量を計測することによって行うことが可能である。
【０００５】
特許文献１には、ベアリングの内輪および外輪のベアリングギャップを検出する技術が開示されている。具体的には、ベアリングの内輪の外周面にリング状の内側電極を埋設するとともに、外輪の内周面に外側電極を埋設し、両電極間の静電容量を計測することで、ベアリングギャップを検出することが示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭６２−１００６０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、油膜厚さの検出を回転軸とすべり軸受との間の静電容量を計測することによって行う構成において、油膜厚さ検出用の電極をすべり軸受に埋設する場合、軸受表面（摺動面）と電極表面との一致性が問題となる。軸受表面と電極表面との両表面が一致していなければ、回転軸とすべり軸受との摺動面間に介在される油膜厚さの検出精度が悪化して、信頼性が低下することが懸念される。例えば、エンジンのクランクシャフトの場合、クランクシャフトのジャーナル部と軸受メタルとの摺動面間に介在される油膜厚さは、最小で数μｍ以下と言われており、このような油膜厚さが薄い部分では、両表面の一致性が特に問題となる。
【０００８】
ここで、すべり軸受に電極を埋設した後に研磨等を行うことで、軸受表面と電極表面との両表面を静的にはほぼ一致させることが可能である。しかし、駆動時の負荷による変形や熱膨張などに起因して、軸受表面の電極が存在する部分の表面と、電極の周囲の部分の表面とが一致しなくなる可能性がある。したがって、油膜厚さを検出しても、軸受表面の電極が存在する部分の油膜厚さが分かるだけで、電極の周囲の部分の油膜厚さを推定することは困難である。
【０００９】
本発明は、そのような問題点を鑑みてなされたものであり、回転軸とすべり軸受との摺動面間に介在される油膜の厚さの検出精度を向上させることが可能であり、信頼性を向上させることが可能な回転軸支持構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上述の課題を解決するための手段を以下のように構成している。すなわち、本発明は、回転軸がすべり軸受を介してハウジングに回転自在に支持され、上記回転軸とすべり軸受との摺動面間には油膜が介在される回転軸支持構造であって、上記回転軸とすべり軸受との間の静電容量を計測することで、上記油膜の厚さを検出する検出装置を備え、上記検出装置は、少なくとも上記すべり軸受の摺動面に電気的に絶縁された状態で設けられた薄膜電極を有することを特徴としている。
【００１１】
上記構成によれば、駆動時には、すべり軸受の変形に追従して薄膜電極も変形するため、すべり軸受の摺動面の薄膜電極が存在する部分の表面と、薄膜電極の周囲の部分の表面とをほぼ一致させることができる。つまり、駆動時にも、すべり軸受の摺動面に発生する凹凸をほとんどなくすことができ、すべり軸受の摺動面と薄膜電極の表面との一致性を保つことができる。これにより、すべり軸受の摺動面の薄膜電極が存在する部分において、上記油膜の厚さを検出することで、すべり軸受の摺動面の薄膜電極が存在する部分の油膜の厚さが分かるだけではなく、薄膜電極の周囲の部分の油膜の厚さを容易に推定することができる。したがって、回転軸とすべり軸受との摺動面間の油膜の厚さの検出精度を向上させることができ、信頼性を向上させることができる。その結果、回転軸やすべり軸受の損傷を素早く検出でき、損傷の発生を未然に回避することができる。
【００１２】
本発明において、上記薄膜電極と対になる相手側の電極を、上記回転軸に設ける構成としてもよい。この場合、上記薄膜電極と対になる相手側の電極を、上記回転軸の摺動面に電気的に絶縁された状態で設けられた薄膜電極（第２の薄膜電極）とすることが可能である。
【００１３】
また、上記薄膜電極と対になる相手側の電極も、上記薄膜電極と同様にすべり軸受に設ける構成としてもよい。この場合、上記薄膜電極と対になる相手側の電極は、すべり軸受の摺動面に電気的に絶縁された状態で設けられた薄膜電極（第２の薄膜電極）であり、上記薄膜電極とは間隔を隔てて配置されていることが好ましい。この構成では、回転軸に電極を設ける必要がなくなるため、配線などの構成が簡素で済み、断線などが発生する可能性も低くなる。
【００１４】
本発明において、薄膜電極としては、例えば、電極層を絶縁層と保護層とで挟んだ構成のものを用いることが可能である。ここで、薄膜電極の絶縁層は、すべり軸受の摺動面の全面に形成されていることが好ましい。また、絶縁層は、ＳｉＯ2で形成され、厚みが２〜１０μｍに設定されていることが好ましい。さらに、薄膜電極の電極層は、ＴｉまたはＣｒで形成されていることが好ましい。また、電極層は、厚みが１μｍ以下に設定されていることが好ましい。
【００１５】
上記構成によれば、絶縁層の材質をＳｉＯ2とした場合、材質をＡｌ2Ｏ3等とした場合に比べて、電極層とすべり軸受との間の電気的な絶縁を保つことが可能な最小の厚みを小さくすることができる。これにより、絶縁層の成膜時間を短くできる。また、絶縁層の厚みを、２〜１０μｍとしているので、電極層とすべり軸受との間の電気的な絶縁を効果的に保ちつつ、絶縁層に亀裂等が生じることを抑制することができる。絶縁層の厚みの下限値（２μｍ）は、電極層とすべり軸受との間の電気的な絶縁を保つことが可能な最小の厚みに設定されている。一方、絶縁層の厚みの上限値（１０μｍ）は、絶縁層に亀裂等が生じることを抑制可能な厚みに設定されている。
【００１６】
また、絶縁層をすべり軸受の摺動面の全体にわたって設けているので、すべり軸受の摺動面に生じる凹凸をできるだけ低減することができる。しかも、電極層の厚みを、１μｍ以下としているため、すべり軸受の摺動面に生じる凹凸をさらに低減することができる。これにより、回転軸とすべり軸受との摺動面間の油膜の厚さの検出精度をさらに向上させることができ、信頼性をさらに高めることができる。併せて、回転軸の摺動抵抗も低減できる。
【００１７】
本発明の具体的な適用対象として、例えば、内燃機関のクランクシャフトの支持構造が挙げられる。この場合、上記回転軸が、内燃機関のクランクシャフトであり、上記すべり軸受が、アッパーメタルおよびロアーメタルからなる軸受メタルであり、上記ハウジングが、内燃機関のシリンダブロック、および、このシリンダブロックに一体的に取り付けられるクランクキャップである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、回転軸とすべり軸受との摺動面間に介在される油膜の厚さの検出精度を向上させることができ、信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明を適用する実施形態の装置構成を概略的に示す模式図である。
【図２】図１の内燃機関のクランクシャフトの外観を示す図である。
【図３】図１の内燃機関のクランクシャフトの支持構造の分解斜視図である。
【図４】図２のＸ１−Ｘ１線断面の矢視図である。
【図５】図２のＸ２−Ｘ２線断面の矢視図である。
【図６】アッパーメタルおよびロアーメタルを示す斜視図である。
【図７】ロアーメタルの摺動面を示す展開図である。
【図８】クランクシャフトとロアーメタルとの摺動面間の油膜厚さを検出する検出装置、および、ロアーメタルの摺動面に設けられた電極の断面を模式的に示す図である。
【図９】クランクシャフトとロアーメタルとの摺動面間の油膜厚さを検出する検出装置の変形例において、図７に対応する図である。
【図１０】クランクシャフトとロアーメタルとの摺動面間の油膜厚さを検出する検出装置の変形例において、図８に対応する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明を具体化した実施形態について添付図面を参照しながら説明する。
【００２１】
以下では、本発明を自動車用エンジンのクランクシャフトの支持構造に適用した実施形態について説明する。この実施形態では、直列４気筒型の内燃機関を例に挙げている。
【００２２】
図１に示すように、内燃機関１００においては、クランクシャフト２が複数の軸受を介してシリンダブロック１に回転自在に支持されている。クランクシャフト２は、シリンダブロック１のシリンダ内を往復移動するピストン４とコネクティングロッド３を介して連結されている。そして、内燃機関１００の運転時、燃焼室内で燃料が燃焼する際の燃焼エネルギーによりピストン４が往復運動すると、その往復運動がコネクティングロッド３を介してクランクシャフト２の回転運動に変換されて出力されるようになっている。つまり、内燃機関１００は、ピストン４の往復運動を回転運動に変換してクランクシャフト２の回転動力を得るレシプロ方式の機関となっている。内燃機関１００では、ピストン４、シリンダ等によって、機関の駆動部が構成されている。
【００２３】
内燃機関１００の各種制御は、制御装置としてのエンジンＥＣＵ１１０によって行われる。エンジンＥＣＵ１１０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、バックアップＲＡＭ、入力インターフェース、出力インターフェース等を備えて構成される。このエンジンＥＣＵ１１０には、内燃機関１００の運転状態を検出する各種センサ、後述する油膜厚さを検出するための検出装置９等が接続されている。
【００２４】
次に、内燃機関１００におけるクランクシャフト２の支持構造について説明する。
【００２５】
図２〜図５に示すように、クランクシャフト２は、シリンダブロック１に回転自在に支持されるジャーナル部２２と、コネクティングロッド３が揺動自在に支持されるクランクピン２１と、ジャーナル部２２とクランクピン２１とを連結するクランクアーム２３とを含んだ構成となっている。クランクアーム２３には、回転バランスを取るためのカウンタウェイトが一体的に設けられている。この実施形態では、クランクシャフト２は、直列４気筒型の内燃機関１００に用いられるものである関係より、５つのジャーナル部２２と、４つのクランクピン２１と、８つのクランクアーム２３とを有している。
【００２６】
クランクシャフト２のジャーナル部２２は、シリンダブロック１の下側の台座１１とそれにボルト６等で結合されるクランクキャップ５との間に挟まれた状態で回転自在に支持されている。台座１１には、シリンダブロック１の上側へ向けて断面略Ｕ字形に凹む凹部１２が設けられている。また、クランクキャップ５には、シリンダブロック１側へ向けて断面略Ｕ字形に凹む凹部５１が設けられている。
【００２７】
そして、クランクシャフト２の各ジャーナル部２２の回転支持部分、詳しくは、クランクシャフト２のジャーナル部２２の外周面と、台座１１の凹部１２の内面（嵌め合い面）１６およびクランクキャップ５の凹部５１の内面（嵌め合い面）５２との対向間には、すべり軸受としてのメタル７，８が介装されるようになっている。
【００２８】
これらクランクジャーナル用のメタル７，８は、一般的に、円筒形のものを２つ割りとしたような形状であり、２つ一対で使用される（図６参照）。メタル７，８は、例えば、Ａｌ系合金、Ｃｕ系合金などによって形成される。これら２種のメタルのうち、一方のメタル７は、台座１１の凹部１２の嵌め合い面１６に嵌合装着され、他方のメタル８は、クランクキャップ５の凹部５１の嵌め合い面５２に嵌合装着される。この装着関係に応じて、以下では、シリンダブロック１の台座１１側に配置されるメタル７をアッパーメタル（アッパーベアリング）、また、クランクキャップ５側に配置されるメタル８をロアーメタル（ロアーベアリング）と言う。
【００２９】
アッパーメタル７は、その凹状面の軸方向中間領域に一定深さの油溝７１が設けられたタイプとされている。アッパーメタル７の油溝７１の底において周方向２箇所には、厚み方向に貫通する油孔７２が設けられている。
【００３０】
ロアーメタル８は、アッパーメタル７とは異なり、油溝や油孔が設けられていないタイプとされている。
【００３１】
なお、クランクシャフト２のクランクピン２１には、コネクティングロッド３が揺動可能に取り付けられており、このコネクティングロッド３の揺動支持部分にも、上記ジャーナル部２２と同様にすべり軸受としてのメタル（図示略）が介装されるようになっている。
【００３２】
クランクシャフト２のジャーナル部２２の回転支持部分に対して、シリンダブロック１の油路１３，１４や、アッパーメタル７の油溝７１および油孔７２を経てエンジンオイル（潤滑油）が供給されるようになっている。そして、クランクシャフト２のジャーナル部２２と、アッパーメタル７およびロアーメタル８との摺動面間には油膜Ａ（図８参照）が形成されるようになっている。
【００３３】
また、クランクシャフト２の内部にも、エンジンオイルを供給するための通路が設けられている。具体的には、クランクシャフト２の５つのジャーナル部２２について、そのフロント（Ｆｒ）側からリア（Ｒｒ）側へ向けて１番から５番まで番号を付けると、１番ジャーナル部２２から１番クランクピン２１へ、２番ジャーナル部２２から２番クランクピン２１へ、また、４番ジャーナル部２２から３番クランクピン２１へ、５番ジャーナル部２２から４番クランクピン２１へ、それぞれエンジンオイル通路が設けられている。
【００３４】
エンジンオイル通路は、クランクシャフト２の５つのジャーナル部２２のうち、軸方向中央の３番ジャーナル部２２を除いた４つのジャーナル部２２に径方向に貫通して設けられる径方向孔２４と、４つのクランクピン２１すべてにおける各端面側から外周面へ貫通して設けられる傾斜孔２５と、これら径方向孔２４と傾斜孔２５とを上述した関係で連通するよう対応するクランクアーム２３の厚み方向に貫通して設けられる傾斜連通孔２６とを組み合わせて構成されている。
【００３５】
この実施形態では、クランクシャフト２のジャーナル部２２とすべり軸受との間の静電容量を計測することで、ジャーナル部２２とすべり軸受との摺動面間に介在される油膜Ａの厚さを検出する検出装置９を備えている。そして、検出装置９は、少なくともすべり軸受の摺動面に電気的に絶縁された状態で設けられた薄膜型の電極（薄膜電極）を有していることを特徴としている。以下、この特徴部分について、図１、図６〜図８等を参照して説明する。
【００３６】
図６〜図８に示すように、検出装置９は、ジャーナル部２２とすべり軸受との摺動面間に介在する油膜Ａを挟むように対向配置される一対の電極９１，９２を備えている。一方の電極９１は、すべり軸受としてのメタル７，８のうち、ロアーメタル８の摺動面８１に設けられている。一方の電極９１は、リード線等を介してエンジンＥＣＵ１１０に電気的に接続されている。一方の電極９１は、５つのロアーメタル８に対しそれぞれ設けられている（図１参照）。また、油膜Ａを挟んで一方の電極９１に対向して設けられるクランクシャフト２のジャーナル部２２が他方の電極９２となっている。この場合、電極９２は、クランクシャフト２に設けられたスリップリング等を介してエンジンＥＣＵ１１０に電気的に接続されている。
【００３７】
上記一方の電極９１は、薄膜電極として構成されている。以下では、一方の電極９１を、「薄膜電極９１」とも言う。薄膜電極９１は、半円筒形のロアーメタル８の内面（摺動面）で、周方向のほぼ中央部分（図６では下側の部分）に設けられている。
【００３８】
図８に示すように、薄膜電極９１は、電極層９１ａと、絶縁層９１ｂと、保護層（被覆層）９１ｃとを備えた構成になっている。具体的には、薄膜電極９１は、ロアーメタル８の摺動面８１の上に、絶縁層９１ｂ、電極層９１ａ、保護層９１ｃの順で積層された３層構造となっており、電極層９１ａを絶縁層９１ｂと保護層９１ｃとで挟んだ構成となっている。
【００３９】
電極層９１ａは、薄膜電極９１の電極として機能する部分であり、例えば、Ｔｉ（チタン）、Ｃｒ（クロム）等の導体で形成されている。絶縁層９１ｂは、電極層９１ａの電気的な絶縁を確保するために設けられており、例えば、ＳｉＯ2等のような絶縁体で形成されている。保護層９１ｃは、電極層９１ａの電気的な絶縁を確保し、電極層９１ａの表面を保護するために設けられており、例えば、ＳｉＯ2等のような絶縁体で形成されている。なお、電極層９１ａ、絶縁層９１ｂ、保護層９１ｃの材質は一例であって、同様の性質を有する材質であれば上記以外の材質を用いてもよい。
【００４０】
絶縁層９１ｂ、電極層９１ａ、保護層９１ｃは、例えば、スパッタリング等の手段によって、ロアーメタル８の摺動面８１上に順に形成される。この場合、クランクシャフト２等と比べてロアーメタル８のサイズは小さいため、スパッタ装置等のチャンバー内において、ロアーメタル８の摺動面８１への絶縁層９１ｂ、電極層９１ａ、保護層９１ｃの成膜を容易に行うことが可能である。
【００４１】
電極層９１ａは、図７に示すように、ロアーメタル８の摺動面８１の一部分（ドットで示す部分）に形成されている。電極層９１ａの厚みは、１μｍ以下に設定されている。電極層９１ａは、リード線と接続されるロアーメタル８の側面８３まで延びている。詳細には、電極層９１ａは、軸方向（図７では上下方向）のほぼ中央に設けられる矩形部分９１ｄと、この矩形部分９１ｄからロアーメタル８の側面８３側（図７では下側）に向けて延びる線状部分９１ｅとを有している。そして、線状部分９１ｅが、ロアーメタル８の側面８３側において、例えば、半田や導電性ペーストなどにより、リード線と接続されている。なお、図７では、薄膜電極９１の絶縁層９１ｂ、保護層９１ｃの図示を省略している。
【００４２】
絶縁層９１ｂおよび保護層９１ｃは、電極層９１ａの上下の部分だけではなく、ロアーメタル８の摺動面８１の全体にわたって形成されている。絶縁層９１ｂの厚みは、２〜１０μｍに設定されている。絶縁層９１ｂおよび保護層９１ｃにより、電極層９１ａが、ロアーメタル８および他方の電極９２に対して電気的に絶縁されている。
【００４３】
そして、エンジンＥＣＵ１１０により、一対の電極９１，９２間の静電容量が計測される。一対の電極９１，９２間の静電容量の計測は、例えば、一対の電極９１，９２間に交流電圧を印加した際に流れる電流値を計測することによって行うことが可能である。ここで、一対の電極９１，９２間の静電容量は、一対の電極９１，９２間の距離に反比例するため、一対の電極９１，９２間の静電容量を計測することによって、一対の電極９１，９２間の距離が検出される。したがって、一対の電極９１，９２間に介在する油膜Ａの厚さが検出される。この場合、ロアーメタル８の摺動面８１の電極９１（電極層９１ａ）が存在する部分の油膜Ａの厚さが検出される。なお、一対の電極９１，９２間の静電容量は、エンジンオイルの比誘電率に比例するが、エンジンオイルの比誘電率は、温度および圧力に対しほぼ一定であるため、一対の電極９１，９２間の静電容量の変化には、一対の電極９１，９２間の油膜Ａの厚さの変化のみが反映されることになる。
【００４４】
エンジンＥＣＵ１１０は、検出された油膜Ａの厚さに基づいて内燃機関１００の運転状態を制御する。例えば、エンジンＥＣＵ１１０は、検出された油膜Ａの厚さが予め設定された閾値以上である場合には、現在の内燃機関１００の制御を継続して行う。一方、エンジンＥＣＵ１１０は、検出された油膜Ａの厚さが予め設定された閾値を下回った場合には、クランクシャフト２やメタル７，８の損傷を回避するために、油膜Ａの厚さを増大させるように、内燃機関１００の運転状態を制御する。具体的には、エンジンＥＣＵ１１０は、内燃機関１００の燃料噴射量、吸入空気量、点火時期等を制御することで、内燃機関１００の負荷を低下させるか、あるいは、内燃機関１００の回転数を増加させることによって、油膜Ａの厚さを増大させる。なお、上記閾値は、実験的または経験的に設定されるものであり、クランクシャフト２およびメタル７，８の損傷を回避可能な値に設定される。
【００４５】
また、例えば、エンジンＥＣＵ１１０は、検出された油膜Ａの厚さが上記閾値を下回った場合には、警報装置１２０を作動させ、警報を発するようにしてもよい。警報装置１２０は、ユーザに対し、油膜Ａの厚さの減少によりクランクシャフト２やメタル７，８が損傷する可能性があることを知らせるもので、警報装置１２０による警報としては、例えば、音声手段による警報、発光手段の点灯や点滅による警報、表示手段への表示による警報等がある。
【００４６】
この実施形態では、上述したように、油膜厚さ検出用の薄膜電極９１がロアーメタル８の摺動面８１に設けられているので、次のような効果が得られる。
【００４７】
内燃機関１００の駆動時（運転中）には、ロアーメタル８の変形に追従して薄膜電極９１も変形するため、ロアーメタル８の摺動面８１の電極層９１ａが存在する部分の表面と、電極層９１ａの周囲の部分の表面とをほぼ一致させることができる。つまり、駆動時にも、ロアーメタル８の摺動面８１に発生する凹凸をほとんどなくすことができ、ロアーメタル８の摺動面８１と薄膜電極９１の表面との一致性を保つことができる。これにより、一対の電極９１，９２間の油膜Ａの厚さを検出することで、ロアーメタル８の摺動面８１の電極層９１ａが存在する部分の油膜Ａの厚さが分かるだけではなく、電極層９１ａの周囲の部分の油膜Ａの厚さを容易に推定することができる。したがって、クランクシャフト２のジャーナル部２２とロアーメタル８との摺動面間に介在される油膜Ａの厚さの検出精度を向上させることができ、信頼性を向上させることができる。その結果、クランクシャフト２やメタル７，８の損傷を素早く検出でき、損傷の発生を未然に回避することができる。
【００４８】
また、薄膜電極９１の絶縁層９１ｂおよび保護層９１ｃをロアーメタル８の摺動面８１の全体にわたって設けているので、ロアーメタル８の摺動面８１に生じる凹凸をできるだけ低減することができる。しかも、薄膜電極９１の電極層９１ａの厚みを、１μｍ以下としているため、ロアーメタル８の摺動面８１に生じる凹凸をさらに低減することができる。これにより、クランクシャフト２のジャーナル部２２とロアーメタル８との摺動面間の油膜Ａの厚さの検出精度をさらに向上させることができ、信頼性をさらに高めることができる。併せて、クランクシャフト２のジャーナル部２２の摺動抵抗も低減できる。
【００４９】
また、薄膜電極９１の絶縁層９１ｂをＳｉＯ2で形成し、その厚みを、２〜１０μｍとしているので、電極層９１ａとロアーメタル８との間の電気的な絶縁を効果的に保ちつつ、絶縁層９１ｂに亀裂等が生じることを抑制することができる。
【００５０】
詳細には、絶縁層９１ｂを薄くするほど、電極層９１ａとロアーメタル８との間の電気的な絶縁を保つことが困難になる。このため、絶縁層９１ｂの厚みの下限値を、電極層９１ａとロアーメタル８との間の電気的な絶縁を保つことが可能な最小の厚みに設定している。ここで、絶縁層９１ｂの材質をＳｉＯ2とした場合、材質をＡｌ2Ｏ3等とした場合に比べて、絶縁層９１ｂの厚みの下限値を小さくすることができる。具体的には、Ａｌ2Ｏ3の場合、絶縁層９１ｂの厚みの下限値を、６μｍとしなければならない。これに対し、ＳｉＯ2の場合、絶縁層９１ｂの厚みの下限値を、２μｍとすればよく、絶縁層９１ｂの成膜時間も短くなり、好ましい。なお、絶縁層９１ｂの材質をＳｉＯ2とした場合、電極層９１ａの材質をＴｉまたはＣｒとすれば、電極層９１ａを絶縁層９１ｂ上に密着させやすくなり、好ましい。
【００５１】
一方、絶縁層９１ｂを厚くするほど、内部応力が高くなり、亀裂が生じやすくなったり、ロアーメタル８の摺動面８１から剥がれやすくなる。このため、絶縁層９１ｂの厚みの上限値を、絶縁層９１ｂに亀裂等が生じることを抑制可能な厚みに設定している。絶縁層９１ｂの材質をＳｉＯ2とした場合、その厚みが１０μｍを超えると、絶縁層９１ｂに亀裂等が生じやすくなるので、絶縁層９１ｂの厚みの上限値を、１０μｍに設定している。
【００５２】
−他の実施形態−
以上、本発明の実施形態について説明したが、ここに示した実施形態は一例であり、さまざまに変形することが可能である。
【００５３】
上記実施形態で説明した薄膜電極９１の電極層９１ａの形状、数、配置位置などは一例であって、適宜変更することが可能である。例えば、ロアーメタル８の摺動面８１に複数の電極層９１ａを設けて、複数の箇所において、クランクシャフト２のジャーナル部２２とロアーメタル８との摺動面間の油膜Ａの厚さを検出する構成としてもよい。この場合、複数の電極層９１ａを、互いに電気的な絶縁を確保できる距離だけ離間して配置すればよい。
【００５４】
また、薄膜電極９１は、油膜厚さ検出用の電極層が、メタル７，８および他方の電極９２に対して電気的に絶縁されているものであれば、どのような構造のものを用いてもよい。
【００５５】
上記実施形態では、薄膜電極９１をロアーメタル８の摺動面８１に設けた例を挙げたが、薄膜電極９１をアッパーメタル７の摺動面に設ける構成としてもよい。この場合、スパッタリング等の手段によって、アッパーメタル７の摺動面上に、絶縁層９１ｂ、電極層９１ａ、保護層９１ｃを順に形成すればよい。
【００５６】
また、検出装置９の他方の電極９２も、上述した一方の電極９１と同様に、薄膜電極として構成してもよい。例えば、スパッタリング等の手段によって、クランクシャフト２のジャーナル部２２の外周面上に、絶縁層、電極層、保護層を順に形成すればよい。この場合、一対の電極９１，９２のいずれか一方をリング状に形成し、他方を油膜厚さの検出箇所に形成すればよい。
【００５７】
あるいは、検出装置９の他方の電極９２も、上述した一方の電極９１と同様に、すべり軸受に設ける構成としてもよい。この場合、他方の電極９２は、薄膜電極として構成することが好ましい。他方の電極９２は、一方の電極９１に対して電気的な絶縁を確保できる距離だけ離間して配置すればよい。なお、一対の電極９１，９２を、すべり軸受の摺動面上に軸方向に並べて配置してもよいし、周方向に並べて配置してもよい。この構成では、クランクシャフト２などの回転体に電極を設ける必要がなくなるため、配線などの構成が簡素で済み、断線などが発生する可能性も低くなる。
【００５８】
図９、図１０には、ロアーメタル８の摺動面８１に検出装置９の一対の薄膜電極９１，９２が、間隔Ｌ１を隔てて軸方向に並べて配置された変形例を示している。検出装置９の一対の薄膜電極９１，９２のうち、一方の薄膜電極９１は、上記実施形態の薄膜電極９１とほぼ同様の構成であり、図１０に示すように、電極層９１ａを絶縁層９１ｂと保護層９１ｃとで挟んだ構成となっている。他方の薄膜電極９２も、上記実施形態の薄膜電極９１とほぼ同様の構成であり、図１０に示すように、電極層９２ａを絶縁層９２ｂと保護層９２ｃとで挟んだ構成となっている。
【００５９】
図９に示すように、薄膜電極９１，９２は、ロアーメタル８の摺動面８１の一部分（ドットで示す部分）に形成されている。薄膜電極９１の電極層９１ａは、リード線と接続されるロアーメタル８の側面８３まで延びている。薄膜電極９２の電極層９２ａは、リード線と接続されるロアーメタル８の側面８４まで延びている。
【００６０】
薄膜電極９１の電極層９１ａの矩形部分９１ｄと、薄膜電極９２の電極層９２ａの矩形部分９２ｄとは、間隔Ｌ１を隔てて軸方向に配置されている。薄膜電極９１の電極層９１ａの矩形部分９１ｄには、ロアーメタル８の側面８３側（図９では下側）に向けて延びる線状部分９１ｅが接続されている。薄膜電極９２の電極層９２ａの矩形部分９２ｄには、ロアーメタル８の側面８４側（図９では上側）に向けて延びる線状部分９２ｅが接続されている。間隔Ｌ１は、電極層９１ａ，９２ａの互いの電気的な絶縁が確保できる距離であれば、特に限定されない。なお、間隔Ｌ１は、例えば、数ｍｍに設定され、クランクシャフト２のジャーナル部２２とロアーメタル８との摺動面間に介在される油膜Ａの厚さに比べ極めて大きい。
【００６１】
薄膜電極９１の絶縁層９１ｂと、薄膜電極９２の絶縁層９２ｂとは、図１０に示すように、別々に設けてもよいし、あるいは、両絶縁層９１ｂ，９２ｂを一体的に形成してもよい。薄膜電極９１の保護層９１ｃと、薄膜電極９２の保護層９２ｃとは、図１０に示すように、別々に設けてもよいし、あるいは、両保護層９１ｃ，９２ｃを一体的に形成してもよい。
【００６２】
そして、エンジンＥＣＵ１１０により、一対の薄膜電極９１，９２間の静電容量が計測される。この例では、エンジンＥＣＵ１１０により計測される静電容量には、薄膜電極９１とクランクシャフト２のジャーナル部２２との間の距離と、ジャーナル部２２と薄膜電極９２との間の距離との合計の距離が寄与する。つまり、一対の薄膜電極９１，９２間の静電容量は、上記合計の距離に反比例するため、一対の薄膜電極９１，９２間の静電容量を計測することによって、上記合計の距離が検出される。したがって、検出された合計の距離から、クランクシャフト２のジャーナル部２２とロアーメタル８との摺動面間に介在される油膜Ａの容易に求めることができる。この場合、例えば、薄膜電極９１とクランクシャフト２のジャーナル部２２との間の距離と、ジャーナル部２２と薄膜電極９２との間の距離とを同じに設定しておけばよい。
【００６３】
上記実施形態では、本発明を内燃機関のクランクシャフトの支持構造に適用した例を挙げたが、本発明は、回転軸をすべり軸受を介してハウジングに回転可能に支持するように構成されていれば、任意の回転軸支持構造に対しても適用することが可能である。
【００６４】
例えば、回転軸は、機関が有する出力軸、動力伝達軸等の任意の軸とすることが可能である。この場合、機関は、回転動力を外部へ出力するものであれば、自動車用エンジン等の内燃機関だけに限定されない。回転軸の一例を挙げれば、コンプレッサの回転軸などがある。
【００６５】
また、すべり軸受は、円筒形のものを２つ割りとしたアッパーベアリングおよびロアーベアリングからなるものではなく、円筒形のものであってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明は、回転軸がすべり軸受を介してハウジングに回転自在に支持され、回転軸とすべり軸受との摺動面間に油膜が介在される構造に利用することが可能である。
【符号の説明】
【００６７】
１ シリンダブロック（ハウジング）
２ クランクシャフト（回転軸）
２２ ジャーナル部
５ クランクキャップ（ハウジング）
７ アッパーメタル（すべり軸受）
８ ロアーメタル（すべり軸受）
８１ 摺動面
９ 検出装置
９１ 薄膜電極
９１ａ 電極層
９１ｂ 絶縁層
９１ｃ 保護層
９２ 電極（相手側の電極）
１００ 内燃機関
１１０ エンジンＥＣＵ
Ａ 油膜
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転軸をすべり軸受を介してハウジングに回転自在に支持する回転軸支持構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車用エンジン等の機関では、各種の回転軸がすべり軸受を介して軸受ハウジングに回転自在に支持される。一例を挙げると、自動車用エンジンでは、クランクシャフトのジャーナル部が、すべり軸受としての軸受メタルを介してシリンダブロックに回転自在に支持されている。クランクシャフトのジャーナル部と軸受メタルとの摺動面間には、油膜が形成されるようになっている。
【０００３】
上述のような回転軸支持構造では、すべり軸受の軸受幅を大きくするほど、受圧面積が大きくなるので、油膜が保持されやすくなって耐焼付き性が向上する傾向となる反面、フリクションが大きくなる傾向となる。逆に、すべり軸受の軸受幅を小さくするほど、受圧面積が小さくなるので、フリクションが小さくなる傾向となる反面、耐焼付き性が低下する傾向となる。
【０００４】
このように、油膜厚さは、すべり軸受の設計上、最も重要な情報の１つである。また、駆動中において、油膜厚さをモニタすることは、回転軸やすべり軸受の損傷を素早く検出したり、損傷の発生を未然に回避するうえで有効である。油膜厚さの検出は、例えば、回転軸とすべり軸受との間の静電容量を計測することによって行うことが可能である。
【０００５】
特許文献１には、ベアリングの内輪および外輪のベアリングギャップを検出する技術が開示されている。具体的には、ベアリングの内輪の外周面にリング状の内側電極を埋設するとともに、外輪の内周面に外側電極を埋設し、両電極間の静電容量を計測することで、ベアリングギャップを検出することが示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭６２−１００６０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、油膜厚さの検出を回転軸とすべり軸受との間の静電容量を計測することによって行う構成において、油膜厚さ検出用の電極をすべり軸受に埋設する場合、軸受表面（摺動面）と電極表面との一致性が問題となる。軸受表面と電極表面との両表面が一致していなければ、回転軸とすべり軸受との摺動面間に介在される油膜厚さの検出精度が悪化して、信頼性が低下することが懸念される。例えば、エンジンのクランクシャフトの場合、クランクシャフトのジャーナル部と軸受メタルとの摺動面間に介在される油膜厚さは、最小で数μｍ以下と言われており、このような油膜厚さが薄い部分では、両表面の一致性が特に問題となる。
【０００８】
ここで、すべり軸受に電極を埋設した後に研磨等を行うことで、軸受表面と電極表面との両表面を静的にはほぼ一致させることが可能である。しかし、駆動時の負荷による変形や熱膨張などに起因して、軸受表面の電極が存在する部分の表面と、電極の周囲の部分の表面とが一致しなくなる可能性がある。したがって、油膜厚さを検出しても、軸受表面の電極が存在する部分の油膜厚さが分かるだけで、電極の周囲の部分の油膜厚さを推定することは困難である。
【０００９】
本発明は、そのような問題点を鑑みてなされたものであり、回転軸とすべり軸受との摺動面間に介在される油膜の厚さの検出精度を向上させることが可能であり、信頼性を向上させることが可能な回転軸支持構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上述の課題を解決するための手段を以下のように構成している。すなわち、本発明は、回転軸がすべり軸受を介してハウジングに回転自在に支持され、上記回転軸とすべり軸受との摺動面間には油膜が介在される回転軸支持構造であって、上記回転軸とすべり軸受との間の静電容量を計測することで、上記油膜の厚さを検出する検出装置を備え、上記検出装置は、少なくとも上記すべり軸受の摺動面に電気的に絶縁された状態で設けられた薄膜電極を有することを特徴としている。
【００１１】
上記構成によれば、駆動時には、すべり軸受の変形に追従して薄膜電極も変形するため、すべり軸受の摺動面の薄膜電極が存在する部分の表面と、薄膜電極の周囲の部分の表面とをほぼ一致させることができる。つまり、駆動時にも、すべり軸受の摺動面に発生する凹凸をほとんどなくすことができ、すべり軸受の摺動面と薄膜電極の表面との一致性を保つことができる。これにより、すべり軸受の摺動面の薄膜電極が存在する部分において、上記油膜の厚さを検出することで、すべり軸受の摺動面の薄膜電極が存在する部分の油膜の厚さが分かるだけではなく、薄膜電極の周囲の部分の油膜の厚さを容易に推定することができる。したがって、回転軸とすべり軸受との摺動面間の油膜の厚さの検出精度を向上させることができ、信頼性を向上させることができる。その結果、回転軸やすべり軸受の損傷を素早く検出でき、損傷の発生を未然に回避することができる。
【００１２】
本発明において、上記薄膜電極と対になる相手側の電極を、上記回転軸に設ける構成としてもよい。この場合、上記薄膜電極と対になる相手側の電極を、上記回転軸の摺動面に電気的に絶縁された状態で設けられた薄膜電極（第２の薄膜電極）とすることが可能である。
【００１３】
また、上記薄膜電極と対になる相手側の電極も、上記薄膜電極と同様にすべり軸受に設ける構成としてもよい。この場合、上記薄膜電極と対になる相手側の電極は、すべり軸受の摺動面に電気的に絶縁された状態で設けられた薄膜電極（第２の薄膜電極）であり、上記薄膜電極とは間隔を隔てて配置されていることが好ましい。この構成では、回転軸に電極を設ける必要がなくなるため、配線などの構成が簡素で済み、断線などが発生する可能性も低くなる。
【００１４】
本発明において、薄膜電極としては、例えば、電極層を絶縁層と保護層とで挟んだ構成のものを用いることが可能である。ここで、薄膜電極の絶縁層は、すべり軸受の摺動面の全面に形成されていることが好ましい。また、絶縁層は、ＳｉＯ2で形成され、厚みが２〜１０μｍに設定されていることが好ましい。さらに、薄膜電極の電極層は、ＴｉまたはＣｒで形成されていることが好ましい。また、電極層は、厚みが１μｍ以下に設定されていることが好ましい。
【００１５】
上記構成によれば、絶縁層の材質をＳｉＯ2とした場合、材質をＡｌ2Ｏ3等とした場合に比べて、電極層とすべり軸受との間の電気的な絶縁を保つことが可能な最小の厚みを小さくすることができる。これにより、絶縁層の成膜時間を短くできる。また、絶縁層の厚みを、２〜１０μｍとしているので、電極層とすべり軸受との間の電気的な絶縁を効果的に保ちつつ、絶縁層に亀裂等が生じることを抑制することができる。絶縁層の厚みの下限値（２μｍ）は、電極層とすべり軸受との間の電気的な絶縁を保つことが可能な最小の厚みに設定されている。一方、絶縁層の厚みの上限値（１０μｍ）は、絶縁層に亀裂等が生じることを抑制可能な厚みに設定されている。
【００１６】
また、絶縁層をすべり軸受の摺動面の全体にわたって設けているので、すべり軸受の摺動面に生じる凹凸をできるだけ低減することができる。しかも、電極層の厚みを、１μｍ以下としているため、すべり軸受の摺動面に生じる凹凸をさらに低減することができる。これにより、回転軸とすべり軸受との摺動面間の油膜の厚さの検出精度をさらに向上させることができ、信頼性をさらに高めることができる。併せて、回転軸の摺動抵抗も低減できる。
【００１７】
本発明の具体的な適用対象として、例えば、内燃機関のクランクシャフトの支持構造が挙げられる。この場合、上記回転軸が、内燃機関のクランクシャフトであり、上記すべり軸受が、アッパーメタルおよびロアーメタルからなる軸受メタルであり、上記ハウジングが、内燃機関のシリンダブロック、および、このシリンダブロックに一体的に取り付けられるクランクキャップである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、回転軸とすべり軸受との摺動面間に介在される油膜の厚さの検出精度を向上させることができ、信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明を適用する実施形態の装置構成を概略的に示す模式図である。
【図２】図１の内燃機関のクランクシャフトの外観を示す図である。
【図３】図１の内燃機関のクランクシャフトの支持構造の分解斜視図である。
【図４】図２のＸ１−Ｘ１線断面の矢視図である。
【図５】図２のＸ２−Ｘ２線断面の矢視図である。
【図６】アッパーメタルおよびロアーメタルを示す斜視図である。
【図７】ロアーメタルの摺動面を示す展開図である。
【図８】クランクシャフトとロアーメタルとの摺動面間の油膜厚さを検出する検出装置、および、ロアーメタルの摺動面に設けられた電極の断面を模式的に示す図である。
【図９】クランクシャフトとロアーメタルとの摺動面間の油膜厚さを検出する検出装置の変形例において、図７に対応する図である。
【図１０】クランクシャフトとロアーメタルとの摺動面間の油膜厚さを検出する検出装置の変形例において、図８に対応する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明を具体化した実施形態について添付図面を参照しながら説明する。
【００２１】
以下では、本発明を自動車用エンジンのクランクシャフトの支持構造に適用した実施形態について説明する。この実施形態では、直列４気筒型の内燃機関を例に挙げている。
【００２２】
図１に示すように、内燃機関１００においては、クランクシャフト２が複数の軸受を介してシリンダブロック１に回転自在に支持されている。クランクシャフト２は、シリンダブロック１のシリンダ内を往復移動するピストン４とコネクティングロッド３を介して連結されている。そして、内燃機関１００の運転時、燃焼室内で燃料が燃焼する際の燃焼エネルギーによりピストン４が往復運動すると、その往復運動がコネクティングロッド３を介してクランクシャフト２の回転運動に変換されて出力されるようになっている。つまり、内燃機関１００は、ピストン４の往復運動を回転運動に変換してクランクシャフト２の回転動力を得るレシプロ方式の機関となっている。内燃機関１００では、ピストン４、シリンダ等によって、機関の駆動部が構成されている。
【００２３】
内燃機関１００の各種制御は、制御装置としてのエンジンＥＣＵ１１０によって行われる。エンジンＥＣＵ１１０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、バックアップＲＡＭ、入力インターフェース、出力インターフェース等を備えて構成される。このエンジンＥＣＵ１１０には、内燃機関１００の運転状態を検出する各種センサ、後述する油膜厚さを検出するための検出装置９等が接続されている。
【００２４】
次に、内燃機関１００におけるクランクシャフト２の支持構造について説明する。
【００２５】
図２〜図５に示すように、クランクシャフト２は、シリンダブロック１に回転自在に支持されるジャーナル部２２と、コネクティングロッド３が揺動自在に支持されるクランクピン２１と、ジャーナル部２２とクランクピン２１とを連結するクランクアーム２３とを含んだ構成となっている。クランクアーム２３には、回転バランスを取るためのカウンタウェイトが一体的に設けられている。この実施形態では、クランクシャフト２は、直列４気筒型の内燃機関１００に用いられるものである関係より、５つのジャーナル部２２と、４つのクランクピン２１と、８つのクランクアーム２３とを有している。
【００２６】
クランクシャフト２のジャーナル部２２は、シリンダブロック１の下側の台座１１とそれにボルト６等で結合されるクランクキャップ５との間に挟まれた状態で回転自在に支持されている。台座１１には、シリンダブロック１の上側へ向けて断面略Ｕ字形に凹む凹部１２が設けられている。また、クランクキャップ５には、シリンダブロック１側へ向けて断面略Ｕ字形に凹む凹部５１が設けられている。
【００２７】
そして、クランクシャフト２の各ジャーナル部２２の回転支持部分、詳しくは、クランクシャフト２のジャーナル部２２の外周面と、台座１１の凹部１２の内面（嵌め合い面）１６およびクランクキャップ５の凹部５１の内面（嵌め合い面）５２との対向間には、すべり軸受としてのメタル７，８が介装されるようになっている。
【００２８】
これらクランクジャーナル用のメタル７，８は、一般的に、円筒形のものを２つ割りとしたような形状であり、２つ一対で使用される（図６参照）。メタル７，８は、例えば、Ａｌ系合金、Ｃｕ系合金などによって形成される。これら２種のメタルのうち、一方のメタル７は、台座１１の凹部１２の嵌め合い面１６に嵌合装着され、他方のメタル８は、クランクキャップ５の凹部５１の嵌め合い面５２に嵌合装着される。この装着関係に応じて、以下では、シリンダブロック１の台座１１側に配置されるメタル７をアッパーメタル（アッパーベアリング）、また、クランクキャップ５側に配置されるメタル８をロアーメタル（ロアーベアリング）と言う。
【００２９】
アッパーメタル７は、その凹状面の軸方向中間領域に一定深さの油溝７１が設けられたタイプとされている。アッパーメタル７の油溝７１の底において周方向２箇所には、厚み方向に貫通する油孔７２が設けられている。
【００３０】
ロアーメタル８は、アッパーメタル７とは異なり、油溝や油孔が設けられていないタイプとされている。
【００３１】
なお、クランクシャフト２のクランクピン２１には、コネクティングロッド３が揺動可能に取り付けられており、このコネクティングロッド３の揺動支持部分にも、上記ジャーナル部２２と同様にすべり軸受としてのメタル（図示略）が介装されるようになっている。
【００３２】
クランクシャフト２のジャーナル部２２の回転支持部分に対して、シリンダブロック１の油路１３，１４や、アッパーメタル７の油溝７１および油孔７２を経てエンジンオイル（潤滑油）が供給されるようになっている。そして、クランクシャフト２のジャーナル部２２と、アッパーメタル７およびロアーメタル８との摺動面間には油膜Ａ（図８参照）が形成されるようになっている。
【００３３】
また、クランクシャフト２の内部にも、エンジンオイルを供給するための通路が設けられている。具体的には、クランクシャフト２の５つのジャーナル部２２について、そのフロント（Ｆｒ）側からリア（Ｒｒ）側へ向けて１番から５番まで番号を付けると、１番ジャーナル部２２から１番クランクピン２１へ、２番ジャーナル部２２から２番クランクピン２１へ、また、４番ジャーナル部２２から３番クランクピン２１へ、５番ジャーナル部２２から４番クランクピン２１へ、それぞれエンジンオイル通路が設けられている。
【００３４】
エンジンオイル通路は、クランクシャフト２の５つのジャーナル部２２のうち、軸方向中央の３番ジャーナル部２２を除いた４つのジャーナル部２２に径方向に貫通して設けられる径方向孔２４と、４つのクランクピン２１すべてにおける各端面側から外周面へ貫通して設けられる傾斜孔２５と、これら径方向孔２４と傾斜孔２５とを上述した関係で連通するよう対応するクランクアーム２３の厚み方向に貫通して設けられる傾斜連通孔２６とを組み合わせて構成されている。
【００３５】
この実施形態では、クランクシャフト２のジャーナル部２２とすべり軸受との間の静電容量を計測することで、ジャーナル部２２とすべり軸受との摺動面間に介在される油膜Ａの厚さを検出する検出装置９を備えている。そして、検出装置９は、少なくともすべり軸受の摺動面に電気的に絶縁された状態で設けられた薄膜型の電極（薄膜電極）を有していることを特徴としている。以下、この特徴部分について、図１、図６〜図８等を参照して説明する。
【００３６】
図６〜図８に示すように、検出装置９は、ジャーナル部２２とすべり軸受との摺動面間に介在する油膜Ａを挟むように対向配置される一対の電極９１，９２を備えている。一方の電極９１は、すべり軸受としてのメタル７，８のうち、ロアーメタル８の摺動面８１に設けられている。一方の電極９１は、リード線等を介してエンジンＥＣＵ１１０に電気的に接続されている。一方の電極９１は、５つのロアーメタル８に対しそれぞれ設けられている（図１参照）。また、油膜Ａを挟んで一方の電極９１に対向して設けられるクランクシャフト２のジャーナル部２２が他方の電極９２となっている。この場合、電極９２は、クランクシャフト２に設けられたスリップリング等を介してエンジンＥＣＵ１１０に電気的に接続されている。
【００３７】
上記一方の電極９１は、薄膜電極として構成されている。以下では、一方の電極９１を、「薄膜電極９１」とも言う。薄膜電極９１は、半円筒形のロアーメタル８の内面（摺動面）で、周方向のほぼ中央部分（図６では下側の部分）に設けられている。
【００３８】
図８に示すように、薄膜電極９１は、電極層９１ａと、絶縁層９１ｂと、保護層（被覆層）９１ｃとを備えた構成になっている。具体的には、薄膜電極９１は、ロアーメタル８の摺動面８１の上に、絶縁層９１ｂ、電極層９１ａ、保護層９１ｃの順で積層された３層構造となっており、電極層９１ａを絶縁層９１ｂと保護層９１ｃとで挟んだ構成となっている。
【００３９】
電極層９１ａは、薄膜電極９１の電極として機能する部分であり、例えば、Ｔｉ（チタン）、Ｃｒ（クロム）等の導体で形成されている。絶縁層９１ｂは、電極層９１ａの電気的な絶縁を確保するために設けられており、例えば、ＳｉＯ2等のような絶縁体で形成されている。保護層９１ｃは、電極層９１ａの電気的な絶縁を確保し、電極層９１ａの表面を保護するために設けられており、例えば、ＳｉＯ2等のような絶縁体で形成されている。なお、電極層９１ａ、絶縁層９１ｂ、保護層９１ｃの材質は一例であって、同様の性質を有する材質であれば上記以外の材質を用いてもよい。
【００４０】
絶縁層９１ｂ、電極層９１ａ、保護層９１ｃは、例えば、スパッタリング等の手段によって、ロアーメタル８の摺動面８１上に順に形成される。この場合、クランクシャフト２等と比べてロアーメタル８のサイズは小さいため、スパッタ装置等のチャンバー内において、ロアーメタル８の摺動面８１への絶縁層９１ｂ、電極層９１ａ、保護層９１ｃの成膜を容易に行うことが可能である。
【００４１】
電極層９１ａは、図７に示すように、ロアーメタル８の摺動面８１の一部分（ドットで示す部分）に形成されている。電極層９１ａの厚みは、１μｍ以下に設定されている。電極層９１ａは、リード線と接続されるロアーメタル８の側面８３まで延びている。詳細には、電極層９１ａは、軸方向（図７では上下方向）のほぼ中央に設けられる矩形部分９１ｄと、この矩形部分９１ｄからロアーメタル８の側面８３側（図７では下側）に向けて延びる線状部分９１ｅとを有している。そして、線状部分９１ｅが、ロアーメタル８の側面８３側において、例えば、半田や導電性ペーストなどにより、リード線と接続されている。なお、図７では、薄膜電極９１の絶縁層９１ｂ、保護層９１ｃの図示を省略している。
【００４２】
絶縁層９１ｂおよび保護層９１ｃは、電極層９１ａの上下の部分だけではなく、ロアーメタル８の摺動面８１の全体にわたって形成されている。絶縁層９１ｂの厚みは、２〜１０μｍに設定されている。絶縁層９１ｂおよび保護層９１ｃにより、電極層９１ａが、ロアーメタル８および他方の電極９２に対して電気的に絶縁されている。
【００４３】
そして、エンジンＥＣＵ１１０により、一対の電極９１，９２間の静電容量が計測される。一対の電極９１，９２間の静電容量の計測は、例えば、一対の電極９１，９２間に交流電圧を印加した際に流れる電流値を計測することによって行うことが可能である。ここで、一対の電極９１，９２間の静電容量は、一対の電極９１，９２間の距離に反比例するため、一対の電極９１，９２間の静電容量を計測することによって、一対の電極９１，９２間の距離が検出される。したがって、一対の電極９１，９２間に介在する油膜Ａの厚さが検出される。この場合、ロアーメタル８の摺動面８１の電極９１（電極層９１ａ）が存在する部分の油膜Ａの厚さが検出される。なお、一対の電極９１，９２間の静電容量は、エンジンオイルの比誘電率に比例するが、エンジンオイルの比誘電率は、温度および圧力に対しほぼ一定であるため、一対の電極９１，９２間の静電容量の変化には、一対の電極９１，９２間の油膜Ａの厚さの変化のみが反映されることになる。
【００４４】
エンジンＥＣＵ１１０は、検出された油膜Ａの厚さに基づいて内燃機関１００の運転状態を制御する。例えば、エンジンＥＣＵ１１０は、検出された油膜Ａの厚さが予め設定された閾値以上である場合には、現在の内燃機関１００の制御を継続して行う。一方、エンジンＥＣＵ１１０は、検出された油膜Ａの厚さが予め設定された閾値を下回った場合には、クランクシャフト２やメタル７，８の損傷を回避するために、油膜Ａの厚さを増大させるように、内燃機関１００の運転状態を制御する。具体的には、エンジンＥＣＵ１１０は、内燃機関１００の燃料噴射量、吸入空気量、点火時期等を制御することで、内燃機関１００の負荷を低下させるか、あるいは、内燃機関１００の回転数を増加させることによって、油膜Ａの厚さを増大させる。なお、上記閾値は、実験的または経験的に設定されるものであり、クランクシャフト２およびメタル７，８の損傷を回避可能な値に設定される。
【００４５】
また、例えば、エンジンＥＣＵ１１０は、検出された油膜Ａの厚さが上記閾値を下回った場合には、警報装置１２０を作動させ、警報を発するようにしてもよい。警報装置１２０は、ユーザに対し、油膜Ａの厚さの減少によりクランクシャフト２やメタル７，８が損傷する可能性があることを知らせるもので、警報装置１２０による警報としては、例えば、音声手段による警報、発光手段の点灯や点滅による警報、表示手段への表示による警報等がある。
【００４６】
この実施形態では、上述したように、油膜厚さ検出用の薄膜電極９１がロアーメタル８の摺動面８１に設けられているので、次のような効果が得られる。
【００４７】
内燃機関１００の駆動時（運転中）には、ロアーメタル８の変形に追従して薄膜電極９１も変形するため、ロアーメタル８の摺動面８１の電極層９１ａが存在する部分の表面と、電極層９１ａの周囲の部分の表面とをほぼ一致させることができる。つまり、駆動時にも、ロアーメタル８の摺動面８１に発生する凹凸をほとんどなくすことができ、ロアーメタル８の摺動面８１と薄膜電極９１の表面との一致性を保つことができる。これにより、一対の電極９１，９２間の油膜Ａの厚さを検出することで、ロアーメタル８の摺動面８１の電極層９１ａが存在する部分の油膜Ａの厚さが分かるだけではなく、電極層９１ａの周囲の部分の油膜Ａの厚さを容易に推定することができる。したがって、クランクシャフト２のジャーナル部２２とロアーメタル８との摺動面間に介在される油膜Ａの厚さの検出精度を向上させることができ、信頼性を向上させることができる。その結果、クランクシャフト２やメタル７，８の損傷を素早く検出でき、損傷の発生を未然に回避することができる。
【００４８】
また、薄膜電極９１の絶縁層９１ｂおよび保護層９１ｃをロアーメタル８の摺動面８１の全体にわたって設けているので、ロアーメタル８の摺動面８１に生じる凹凸をできるだけ低減することができる。しかも、薄膜電極９１の電極層９１ａの厚みを、１μｍ以下としているため、ロアーメタル８の摺動面８１に生じる凹凸をさらに低減することができる。これにより、クランクシャフト２のジャーナル部２２とロアーメタル８との摺動面間の油膜Ａの厚さの検出精度をさらに向上させることができ、信頼性をさらに高めることができる。併せて、クランクシャフト２のジャーナル部２２の摺動抵抗も低減できる。
【００４９】
また、薄膜電極９１の絶縁層９１ｂをＳｉＯ2で形成し、その厚みを、２〜１０μｍとしているので、電極層９１ａとロアーメタル８との間の電気的な絶縁を効果的に保ちつつ、絶縁層９１ｂに亀裂等が生じることを抑制することができる。
【００５０】
詳細には、絶縁層９１ｂを薄くするほど、電極層９１ａとロアーメタル８との間の電気的な絶縁を保つことが困難になる。このため、絶縁層９１ｂの厚みの下限値を、電極層９１ａとロアーメタル８との間の電気的な絶縁を保つことが可能な最小の厚みに設定している。ここで、絶縁層９１ｂの材質をＳｉＯ2とした場合、材質をＡｌ2Ｏ3等とした場合に比べて、絶縁層９１ｂの厚みの下限値を小さくすることができる。具体的には、Ａｌ2Ｏ3の場合、絶縁層９１ｂの厚みの下限値を、６μｍとしなければならない。これに対し、ＳｉＯ2の場合、絶縁層９１ｂの厚みの下限値を、２μｍとすればよく、絶縁層９１ｂの成膜時間も短くなり、好ましい。なお、絶縁層９１ｂの材質をＳｉＯ2とした場合、電極層９１ａの材質をＴｉまたはＣｒとすれば、電極層９１ａを絶縁層９１ｂ上に密着させやすくなり、好ましい。
【００５１】
一方、絶縁層９１ｂを厚くするほど、内部応力が高くなり、亀裂が生じやすくなったり、ロアーメタル８の摺動面８１から剥がれやすくなる。このため、絶縁層９１ｂの厚みの上限値を、絶縁層９１ｂに亀裂等が生じることを抑制可能な厚みに設定している。絶縁層９１ｂの材質をＳｉＯ2とした場合、その厚みが１０μｍを超えると、絶縁層９１ｂに亀裂等が生じやすくなるので、絶縁層９１ｂの厚みの上限値を、１０μｍに設定している。
【００５２】
−他の実施形態−
以上、本発明の実施形態について説明したが、ここに示した実施形態は一例であり、さまざまに変形することが可能である。
【００５３】
上記実施形態で説明した薄膜電極９１の電極層９１ａの形状、数、配置位置などは一例であって、適宜変更することが可能である。例えば、ロアーメタル８の摺動面８１に複数の電極層９１ａを設けて、複数の箇所において、クランクシャフト２のジャーナル部２２とロアーメタル８との摺動面間の油膜Ａの厚さを検出する構成としてもよい。この場合、複数の電極層９１ａを、互いに電気的な絶縁を確保できる距離だけ離間して配置すればよい。
【００５４】
また、薄膜電極９１は、油膜厚さ検出用の電極層が、メタル７，８および他方の電極９２に対して電気的に絶縁されているものであれば、どのような構造のものを用いてもよい。
【００５５】
上記実施形態では、薄膜電極９１をロアーメタル８の摺動面８１に設けた例を挙げたが、薄膜電極９１をアッパーメタル７の摺動面に設ける構成としてもよい。この場合、スパッタリング等の手段によって、アッパーメタル７の摺動面上に、絶縁層９１ｂ、電極層９１ａ、保護層９１ｃを順に形成すればよい。
【００５６】
また、検出装置９の他方の電極９２も、上述した一方の電極９１と同様に、薄膜電極として構成してもよい。例えば、スパッタリング等の手段によって、クランクシャフト２のジャーナル部２２の外周面上に、絶縁層、電極層、保護層を順に形成すればよい。この場合、一対の電極９１，９２のいずれか一方をリング状に形成し、他方を油膜厚さの検出箇所に形成すればよい。
【００５７】
あるいは、検出装置９の他方の電極９２も、上述した一方の電極９１と同様に、すべり軸受に設ける構成としてもよい。この場合、他方の電極９２は、薄膜電極として構成することが好ましい。他方の電極９２は、一方の電極９１に対して電気的な絶縁を確保できる距離だけ離間して配置すればよい。なお、一対の電極９１，９２を、すべり軸受の摺動面上に軸方向に並べて配置してもよいし、周方向に並べて配置してもよい。この構成では、クランクシャフト２などの回転体に電極を設ける必要がなくなるため、配線などの構成が簡素で済み、断線などが発生する可能性も低くなる。
【００５８】
図９、図１０には、ロアーメタル８の摺動面８１に検出装置９の一対の薄膜電極９１，９２が、間隔Ｌ１を隔てて軸方向に並べて配置された変形例を示している。検出装置９の一対の薄膜電極９１，９２のうち、一方の薄膜電極９１は、上記実施形態の薄膜電極９１とほぼ同様の構成であり、図１０に示すように、電極層９１ａを絶縁層９１ｂと保護層９１ｃとで挟んだ構成となっている。他方の薄膜電極９２も、上記実施形態の薄膜電極９１とほぼ同様の構成であり、図１０に示すように、電極層９２ａを絶縁層９２ｂと保護層９２ｃとで挟んだ構成となっている。
【００５９】
図９に示すように、薄膜電極９１，９２は、ロアーメタル８の摺動面８１の一部分（ドットで示す部分）に形成されている。薄膜電極９１の電極層９１ａは、リード線と接続されるロアーメタル８の側面８３まで延びている。薄膜電極９２の電極層９２ａは、リード線と接続されるロアーメタル８の側面８４まで延びている。
【００６０】
薄膜電極９１の電極層９１ａの矩形部分９１ｄと、薄膜電極９２の電極層９２ａの矩形部分９２ｄとは、間隔Ｌ１を隔てて軸方向に配置されている。薄膜電極９１の電極層９１ａの矩形部分９１ｄには、ロアーメタル８の側面８３側（図９では下側）に向けて延びる線状部分９１ｅが接続されている。薄膜電極９２の電極層９２ａの矩形部分９２ｄには、ロアーメタル８の側面８４側（図９では上側）に向けて延びる線状部分９２ｅが接続されている。間隔Ｌ１は、電極層９１ａ，９２ａの互いの電気的な絶縁が確保できる距離であれば、特に限定されない。なお、間隔Ｌ１は、例えば、数ｍｍに設定され、クランクシャフト２のジャーナル部２２とロアーメタル８との摺動面間に介在される油膜Ａの厚さに比べ極めて大きい。
【００６１】
薄膜電極９１の絶縁層９１ｂと、薄膜電極９２の絶縁層９２ｂとは、図１０に示すように、別々に設けてもよいし、あるいは、両絶縁層９１ｂ，９２ｂを一体的に形成してもよい。薄膜電極９１の保護層９１ｃと、薄膜電極９２の保護層９２ｃとは、図１０に示すように、別々に設けてもよいし、あるいは、両保護層９１ｃ，９２ｃを一体的に形成してもよい。
【００６２】
そして、エンジンＥＣＵ１１０により、一対の薄膜電極９１，９２間の静電容量が計測される。この例では、エンジンＥＣＵ１１０により計測される静電容量には、薄膜電極９１とクランクシャフト２のジャーナル部２２との間の距離と、ジャーナル部２２と薄膜電極９２との間の距離との合計の距離が寄与する。つまり、一対の薄膜電極９１，９２間の静電容量は、上記合計の距離に反比例するため、一対の薄膜電極９１，９２間の静電容量を計測することによって、上記合計の距離が検出される。したがって、検出された合計の距離から、クランクシャフト２のジャーナル部２２とロアーメタル８との摺動面間に介在される油膜Ａの容易に求めることができる。この場合、例えば、薄膜電極９１とクランクシャフト２のジャーナル部２２との間の距離と、ジャーナル部２２と薄膜電極９２との間の距離とを同じに設定しておけばよい。
【００６３】
上記実施形態では、本発明を内燃機関のクランクシャフトの支持構造に適用した例を挙げたが、本発明は、回転軸をすべり軸受を介してハウジングに回転可能に支持するように構成されていれば、任意の回転軸支持構造に対しても適用することが可能である。
【００６４】
例えば、回転軸は、機関が有する出力軸、動力伝達軸等の任意の軸とすることが可能である。この場合、機関は、回転動力を外部へ出力するものであれば、自動車用エンジン等の内燃機関だけに限定されない。回転軸の一例を挙げれば、コンプレッサの回転軸などがある。
【００６５】
また、すべり軸受は、円筒形のものを２つ割りとしたアッパーベアリングおよびロアーベアリングからなるものではなく、円筒形のものであってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明は、回転軸がすべり軸受を介してハウジングに回転自在に支持され、回転軸とすべり軸受との摺動面間に油膜が介在される構造に利用することが可能である。
【符号の説明】
【００６７】
１ シリンダブロック（ハウジング）
２ クランクシャフト（回転軸）
２２ ジャーナル部
５ クランクキャップ（ハウジング）
７ アッパーメタル（すべり軸受）
８ ロアーメタル（すべり軸受）
８１ 摺動面
９ 検出装置
９１ 薄膜電極
９１ａ 電極層
９１ｂ 絶縁層
９１ｃ 保護層
９２ 電極（相手側の電極）
１００ 内燃機関
１１０ エンジンＥＣＵ
Ａ 油膜
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸がすべり軸受を介してハウジングに回転自在に支持され、上記回転軸とすべり軸受との摺動面間には油膜が介在される回転軸支持構造であって、
上記回転軸とすべり軸受との間の静電容量を計測することで、上記油膜の厚さを検出する検出装置を備え、
上記検出装置は、少なくとも上記すべり軸受の摺動面に電気的に絶縁された状態で設けられた薄膜電極を有することを特徴とする回転軸支持構造。
【請求項２】
請求項１に記載の回転軸支持構造において、
上記薄膜電極と対になる相手側の電極は、上記回転軸に設けられていることを特徴とする回転軸支持構造。
【請求項３】
請求項２に記載の回転軸支持構造において、
上記薄膜電極と対になる相手側の電極は、上記回転軸の摺動面に電気的に絶縁された状態で設けられた薄膜電極であることを特徴とする回転軸支持構造。
【請求項４】
請求項１に記載の回転軸支持構造において、
上記薄膜電極と対になる相手側の電極は、上記すべり軸受の摺動面に電気的に絶縁された状態で設けられた薄膜電極であり、上記薄膜電極とは間隔を隔てて配置されていることを特徴とする回転軸支持構造。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１つに記載の回転軸支持構造において、
上記薄膜電極は、電極層を絶縁層と保護層とで挟んだ構成となっていることを特徴とする回転軸支持構造。
【請求項６】
請求項５に記載の回転軸支持構造において、
上記絶縁層は、上記すべり軸受の摺動面の全面に形成されていることを特徴とする回転軸支持構造。
【請求項７】
請求項５または６に記載の回転軸支持構造において、
上記絶縁層は、ＳｉＯ2で形成され、厚みが２〜１０μｍに設定されていることを特徴とする回転軸支持構造。
【請求項８】
請求項５〜７のいずれか１つに記載の回転軸支持構造において、
上記電極層は、ＴｉまたはＣｒで形成されていることを特徴とする回転軸支持構造。
【請求項９】
請求項５〜８のいずれか１つに記載の回転軸支持構造において、
上記電極層は、厚みが１μｍ以下に設定されていることを特徴とする回転軸支持構造。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１つに記載の回転軸支持構造において、
上記回転軸が、内燃機関のクランクシャフトであり、
上記すべり軸受が、アッパーメタルおよびロアーメタルからなる軸受メタルであり、
上記ハウジングが、内燃機関のシリンダブロック、および、このシリンダブロックに一体的に取り付けられるクランクキャップであることを特徴とする回転軸支持構造。
【請求項１】
回転軸がすべり軸受を介してハウジングに回転自在に支持され、上記回転軸とすべり軸受との摺動面間には油膜が介在される回転軸支持構造であって、
上記回転軸とすべり軸受との間の静電容量を計測することで、上記油膜の厚さを検出する検出装置を備え、
上記検出装置は、少なくとも上記すべり軸受の摺動面に電気的に絶縁された状態で設けられた薄膜電極を有することを特徴とする回転軸支持構造。
【請求項２】
請求項１に記載の回転軸支持構造において、
上記薄膜電極と対になる相手側の電極は、上記回転軸に設けられていることを特徴とする回転軸支持構造。
【請求項３】
請求項２に記載の回転軸支持構造において、
上記薄膜電極と対になる相手側の電極は、上記回転軸の摺動面に電気的に絶縁された状態で設けられた薄膜電極であることを特徴とする回転軸支持構造。
【請求項４】
請求項１に記載の回転軸支持構造において、
上記薄膜電極と対になる相手側の電極は、上記すべり軸受の摺動面に電気的に絶縁された状態で設けられた薄膜電極であり、上記薄膜電極とは間隔を隔てて配置されていることを特徴とする回転軸支持構造。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１つに記載の回転軸支持構造において、
上記薄膜電極は、電極層を絶縁層と保護層とで挟んだ構成となっていることを特徴とする回転軸支持構造。
【請求項６】
請求項５に記載の回転軸支持構造において、
上記絶縁層は、上記すべり軸受の摺動面の全面に形成されていることを特徴とする回転軸支持構造。
【請求項７】
請求項５または６に記載の回転軸支持構造において、
上記絶縁層は、ＳｉＯ2で形成され、厚みが２〜１０μｍに設定されていることを特徴とする回転軸支持構造。
【請求項８】
請求項５〜７のいずれか１つに記載の回転軸支持構造において、
上記電極層は、ＴｉまたはＣｒで形成されていることを特徴とする回転軸支持構造。
【請求項９】
請求項５〜８のいずれか１つに記載の回転軸支持構造において、
上記電極層は、厚みが１μｍ以下に設定されていることを特徴とする回転軸支持構造。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１つに記載の回転軸支持構造において、
上記回転軸が、内燃機関のクランクシャフトであり、
上記すべり軸受が、アッパーメタルおよびロアーメタルからなる軸受メタルであり、
上記ハウジングが、内燃機関のシリンダブロック、および、このシリンダブロックに一体的に取り付けられるクランクキャップであることを特徴とする回転軸支持構造。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１０−２８１３５５（Ｐ２０１０−２８１３５５Ａ）
【公開日】平成２２年１２月１６日（２０１０．１２．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１３３８１４（Ｐ２００９−１３３８１４）
【出願日】平成２１年６月３日（２００９．６．３）
【出願人】（０００００４６９５）株式会社日本自動車部品総合研究所 (1,981)
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１２月１６日（２０１０．１２．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月３日（２００９．６．３）
【出願人】（０００００４６９５）株式会社日本自動車部品総合研究所 (1,981)
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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