膜厚計測装置及び方法
【課題】油膜の膜厚をより高い精度で計測することができる膜厚計測装置及び方法を提供する。
【解決手段】膜厚計測装置１０は、シリンダライナＳのピストンリング摺動面Ｌに埋設された静電容量センサ１１とピストンリングＲとの隙間に形成された潤滑油の油膜の静電容量を計測する静電容量計測部１３と、ピストンリングＲが静電容量センサ１１の埋設箇所を通過する直前の複数点の計測値及び直後の複数点の計測値の少なくとも一方の計測値の平均値を求め、ピストンリングＲが静電容量センサ１１の埋設箇所を通過する際に得られる計測値からその平均値を差し引いて得られる補正計測値に基づいて油膜の膜厚を求める膜厚演算部１５とを備える。
【解決手段】膜厚計測装置１０は、シリンダライナＳのピストンリング摺動面Ｌに埋設された静電容量センサ１１とピストンリングＲとの隙間に形成された潤滑油の油膜の静電容量を計測する静電容量計測部１３と、ピストンリングＲが静電容量センサ１１の埋設箇所を通過する直前の複数点の計測値及び直後の複数点の計測値の少なくとも一方の計測値の平均値を求め、ピストンリングＲが静電容量センサ１１の埋設箇所を通過する際に得られる計測値からその平均値を差し引いて得られる補正計測値に基づいて油膜の膜厚を求める膜厚演算部１５とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜厚計測装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジン運転時におけるシリンダ内部の潤滑油の膜厚（油膜の膜厚）を計測する方法の一つとして、静電容量を用いた計測方法が挙げられる。この計測方法は、シリンダライナのピストンリング摺動面にセンサ電極を設け、油膜が形成されているピストンリングとセンサ電極との隙間の静電容量を計測し、この静電容量の計測結果に基づいて油膜の膜厚を計測する方法である。
【０００３】
以下の特許文献１には、静電容量を用いた油膜の膜厚を計測する方法の一例が開示されている。具体的には、センサ電極に定電流を供給してセンサ電極とピストンリングとの間隙の静電容量を充電し、充電に伴う充電電圧の変化に基づいて静電容量を検出することにより、高い精度で油膜の膜厚を計測する計測方法が開示されている。また、この特許文献１には、ピストンが下死点に位置するときに得られる静電容量を、ピストンリングがセンサ電極に対向したときに得られる静電容量から差し引いて膜厚を計測することで、センサ電極に接続されるケーブルの静電容量に起因する計測誤差を低減する方法も開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１０７９４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、エンジン運転中はエンジンが振動しているため、ピストンリング摺動面に設けられたセンサ電極に接続されるケーブルの振動等に起因してケーブルの静電容量が変動してしまう。すると、ピストンが下死点に位置していたときのケーブルの静電容量を計測しても、ピストンリングがセンサ電極に対向するまでにケーブルの静電容量が変動してしまい、上記の特許文献１に開示された方法を用いて静電容量の差し引きを行っても、ケーブルの静電容量に起因する計測誤差の低減効果がさほど得られない可能性があり、油膜の膜厚の計測精度を向上させる観点からは問題である。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、油膜の膜厚をより高い精度で計測することができる膜厚計測装置及び方法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】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明の膜厚計測装置（１０、２０、３０）は、シリンダライナ（Ｓ）のピストンリング摺動面（Ｌ）に埋設された検出電極（１１）とピストンリング（Ｒ、Ｒ１〜Ｒ３）との隙間に形成された潤滑油の油膜の静電容量を計測する静電容量計測部（１３）を備えており、当該静電容量計測部の計測値を用いて前記油膜の膜厚を計測する膜厚計測装置において、前記ピストンリングが前記検出電極の埋設箇所を通過する直前の複数点（ｍ１１〜ｍ２０）の計測値及び直後の複数点（ｍ２１〜ｍ３０）の計測値の少なくとも一方の計測値の平均値を求め、前記ピストンリングが前記検出電極の埋設箇所を通過する際に得られる計測値から当該平均値を差し引いて得られる補正計測値に基づいて前記油膜の膜厚を求める膜厚演算部（１５、１６、２４）を備えることを特徴とする。
また、本発明の膜厚計測装置は、前記ピストンリングが、複数設けられており、前記膜厚演算部が、前記複数のピストンリングが前記検出電極の埋設箇所を通過する直前の複数点の計測値及び直後の複数点の計測値の少なくとも一方の計測値に加えて、前記複数のピストンリングの間隙の部分が前記検出電極の埋設箇所を通過する際に得られる計測値を用いて前記平均値を求めることを特徴としている。
また、本発明の膜厚計測装置は、前記ピストンリング摺動面に対する前記ピストンリングの位置を示すクランク回転角を検出するクランク回転角検出部（１４）を備えており、前記膜厚演算部は、前記クランク回転角検出部によって検出されたクランク回転角を用いて前記検出電極と前記ピストンリングとの相対的な位置関係を求めることを特徴としている。
上記課題を解決するために、本発明の膜厚計測方法は、シリンダライナ（Ｓ）のピストンリング摺動面（Ｌ）に埋設された検出電極（１１）とピストンリング（Ｒ、Ｒ１〜Ｒ３）との隙間に形成された潤滑油の油膜の静電容量を計測して前記油膜の膜厚を計測する膜厚計測方法において、前記ピストンリングが前記検出電極の埋設箇所を通過する直前の複数点（ｍ１１〜ｍ２０）の計測値及び直後の複数点（ｍ２１〜ｍ３０）の計測値の少なくとも一方の計測値の平均値を求める第１ステップと、前記ピストンリングが前記検出電極の埋設箇所を通過する際に得られる計測値から当該平均値を差し引いて補正計測値を求める第２ステップと、前記補正計測値に基づいて前記油膜の膜厚を求める第３ステップとを有することを特徴としている。
また、本発明の膜厚計測方法は、前記第１ステップが、複数設けられたピストンリングが前記検出電極の埋設箇所を通過する直前の複数点の計測値及び直後の複数点の計測値の少なくとも一方の計測値に加えて、前記複数のピストンリングの間隙の部分が前記検出電極の埋設箇所を通過する際に得られる計測値を用いて前記平均値を求めるステップであることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、ピストンリングが検出電極の埋設箇所を通過する直前の複数点の計測値及び直後の複数点の計測値の少なくとも一方の計測値の平均値を求め、ピストンリングが検出電極の埋設箇所を通過する際に得られる計測値からその平均値を差し引いて得られる補正計測値に基づいて前記油膜の膜厚を求めており、エンジンの振動等によって生ずるケーブルの静電容量の変動の影響を大幅に排除することができるため、油膜の膜厚をより高い精度で計測することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１実施形態による膜厚計測装置の要部構成を示すブロック図である。
【図２】静電容量センサ１１の構成を示す断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態において、静電容量計測部１３から出力される静電容量信号の一例を示す図である。
【図４】本発明の第１実施形態による膜厚計測方法の一例を示すフローチャートである。
【図５】センサ電極１１ａの近傍を説明する図である。
【図６】本発明の第２実施形態による膜厚計測装置の要部構成を示すブロック図である。
【図７】本発明の第２実施形態において、静電容量計測部１３から出力される静電容量信号の一例を示す図である。
【図８】本発明の第３実施形態による膜厚計測装置の要部構成を示すブロック図である。
【図９】電気抵抗計測部２２の内部構成の一例を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の実施形態による膜厚計測装置及び方法について詳細に説明する。
【００１１】
〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態による膜厚計測装置の要部構成を示すブロック図である。図１に示す通り、膜厚計測装置１０は、静電容量センサ１１（検出電極）、同軸ケーブル１２、静電容量計測部１３、クランク角度検出部１４（クランク回転角検出部）、及び膜厚演算部１５を備えており、エンジンＥにおけるシリンダライナＳの内壁面（ピストンリング摺動面Ｌ）とピストンＰに設けられたピストンリングＲとの隙間に形成される潤滑油の油膜の厚さを計測する。尚、ピストンＰは、ピストンロッドＰＲ及びクランクシャフトＫを介して往復運動が可能である。
【００１２】
静電容量センサ１１は、ピストンリング摺動面Ｌと面一となるようにシリンダライナＳに絶縁状態で埋設されており、同軸ケーブル１２を介して静電容量計測部１３に接続されている。図２は、静電容量センサ１１の構成を示す断面図である。図２に示す通り、静電容量センサ１１は、円筒形状のセンサ電極１１ａを絶縁材１１ｂで同心円状に被覆し、更に絶縁材１１ｂの外周を導電体のセンサケース１１ｃによって同心円状に被覆した構造である。かかる構造の静電容量センサ１１は、ピストンリング摺動面Ｌに対して面一となるようにセンサ取付孔に埋設されている。
【００１３】
静電容量センサ１１が備えるセンサ電極１１ａとピストンＰに設けられたピストンリングＲとが対向することにより、センサ電極１１ａとピストンリングＲとを一対の電極とし、これらの一対の電極の間に油膜が挟持されたコンデンサが形成される。尚、図２においては、センサ電極１１ａとピストンリングＲとによって挟持される油膜の膜厚をＴとしている。
【００１４】
以上の静電容量センサ１１は、同軸ケーブル１２を介して静電容量計測部１３に接続されている。具体的には、図２に示す通り、静電容量センサ１１のセンサ電極１１ａは同軸ケーブル１２の中心部を貫通する内部導線１２ａを介して静電容量計測部１３に接続され、静電容量センサ１１のセンサケース１１ｃは同軸ケーブル１２の絶縁体（図示省略）の外周に配設される外部導線１２ｂ（編組線）を介して静電容量計測部１３の接地部（ＧＮＤ：グランド）に接続される。
【００１５】
静電容量計測部１３は、静電容量センサ１１に対して検出用充電電流を供給する。また、静電容量センサ１１とピストンリングＲとの間隙に油膜が挟持されることによって形成されるコンデンサの静電容量と上記の検出用充電電流とによって発生する静電容量センサ１１の電圧変化に基づいて上記の静電容量を示す電圧信号（静電容量信号）を生成して膜厚演算部１５に出力する。
【００１６】
クランク角度検出部１４は、ロータリエンコーダ等のエンコーダを備えており、クランクシャフトＫ、即ちクランク軸の回転角度を検出し、その回転角度を示す回転角信号を膜厚演算部１５に出力する。尚、クランク軸の回転角とピストンＰの位置とは一対一に対応しているため、クランク角度検出部１４で検出されるクランク軸の回転角度は、ピストンリング摺動面Ｌに対するピストンリングＲの位置を示すということができる。
【００１７】
膜厚演算部１５は、静電容量計測部１３から出力される静電容量信号に対して所定の信号処理を施すことにより、センサ電極１１ａとピストンリングＲとの隙間に形成された油膜の膜厚Ｔを算出する。具体的には、静電容量センサ１１とピストンリングＲとの間隙に油膜が挟持されることによって形成されるコンデンサの静電容量を「Ｃ」、真空中の誘電率を「ε０」、潤滑油の比誘電率を「εｒ」、静電容量センサ１１の面積（ピストンリングＲと対向する面積）を「Ｓ」とすると、ピストンリングＲと静電容量センサ１１との距離、つまり油膜の膜厚Ｔは以下の（１）式によって表される。つまり、コンデンサの静電容量Ｃが分かれば、油膜の膜厚Ｔを以下の（１）式によって求めることができる。
Ｔ＝ε０・εｒ・Ｓ／Ｃ …（１）
【００１８】
また、膜厚演算部１５は、クランク角度検出部１４から出力される回転角信号を用いてセンサ電極１１ａとピストンリングＲとの相対的な位置関係を把握している。このため、膜厚演算部１５は、静電容量計測部１３から出力される静電容量信号が、どの位置にピストンリングＲが配置されているときに得られた信号であるかを常時把握している。ここで、膜厚演算部１５は、ピストンリングＲがセンサ電極１１ａの埋設箇所を通過する直前の複数点の計測値、及びその埋設箇所を通過した直後の複数点の計測値の少なくとも一方の計測値の平均値を求め、ピストンリングＲがセンサ電極１１ａの埋設箇所を通過する際に得られる計測値から、その平均値を差し引いて得られる補正計測値に基づいて、油膜の膜厚を求める。
【００１９】
これは、同軸ケーブル１２の振動によって同軸ケーブル１２の静電容量が変動することによって生ずる膜厚の計測誤差を低減するためである。つまり、油膜の膜厚を計測する直前又は直後に同軸ケーブル１２の静電容量を計測することによって、同軸ケーブル１２の振動等に起因する計測誤差を低減することとしている。この処理の詳細については後述する。尚、膜厚演算部１５で算出された油膜の膜厚Ｔは、例えば液晶表示装置等の表示装置（図示書略）に表示され、或いはその膜厚Ｔを示す信号が外部に出力される。
【００２０】
次に、上記構成における膜厚計測装置１０の動作について説明する。エンジンＥの運転時には、クランク角度検出部１４によってクランクシャフトＫの回転角度が検出されており、一定の回転角度毎（例えば、０．０５°毎）にその検出結果を示す回転角信号が膜厚演算部１５に出力されている。膜厚演算部１５は、クランク角度検出部１４から出力される回転角信号を用いてセンサ電極１１ａとピストンリングＲとの相対的な位置関係を求める。
【００２１】
また、エンジンＥの運転時には、静電容量計測部１３から静電容量センサ１１に対して検出用充電電流が供給されるとともに、静電容量センサ１１から同軸ケーブル１２を介して静電容量計測部１３に入力される電圧変化に基づいてコンデンサ（静電容量センサ１１とピストンリングＲとの間隙に油膜が挟持されることによって形成されるコンデンサ）の静電容量を示す電圧信号（静電容量信号）が生成されて膜厚演算部１５に出力されている。
【００２２】
図３は、本発明の第１実施形態において、静電容量計測部１３から出力される静電容量信号の一例を示す図である。尚、図３においては、横軸にクランクシャフトＫ（クランク軸）の回転角度をとり、縦軸に静電容量信号をとっている。図３に示す通り、静電容量信号は、センサ電極１１ａとピストンリングＲとが対向する位置（回転角度θ１，θ２）においてピーク値をとる。これは、ピストンリングＲとセンサ電極１１ａとが近接状態になり、これらを電極とするコンデンサの容量が増大するためである。これに対し、この位置（回転角度θ１，θ２）を外れると静電容量信号の値が極めて小さくなる。これは、ピストンリングＲとセンサ電極１１ａとが離間してコンデンサの容量が極めて小さくなるためである。
【００２３】
前述した通り、膜厚演算部１５は、クランク角度検出部１４から出力される回転角信号を用いてセンサ電極１１ａとピストンリングＲとの相対的な位置関係を把握している。このため、クランク角度検出部１４から出力される回転角信号で示される回転角度が回転角θ１又は回転角度θ２であるときに、静電容量計測部１３から出力される静電容量信号を用いれば油膜の膜厚Ｔを求めることができる。但し、本実施形態では、振動によって同軸ケーブル１２の静電容量が変動することによって生ずる膜厚の計測誤差を低減するために、以下の処理を行って油膜の膜厚Ｔを求めている。
【００２４】
図４は、本発明の第１実施形態による膜厚計測方法の一例を示すフローチャートである。尚、図４に示すフローチャートは、ピストンリングＲがセンサ電極１１ａの埋設箇所を通過する直前の複数点の計測値の平均値を求めて油膜の膜厚を求める処理を示すフローチャートである。このフローチャートは、エンジンＥの運転開始によって開始され、エンジンＥの運転中は繰り返し実行される。
【００２５】
処理が開始されると、まずクランク角度検出部１４から出力される回転角信号に基づいて、ピストンリングＲがセンサ電極１１ａの近傍に位置するか否かが膜厚演算部１５によって判断される（ステップＳ１１）。ここで、センサ電極１１ａの近傍とは、図５に示す通り、静電容量信号が立ち上がる位置（立ち上がり位置Ｚ）の直前の領域Ｑ１をいう。図５は、センサ電極１１ａの近傍を説明する図である。尚、図５は、図３中の回転角度θ２の付近を横軸方向に拡大した図である。
【００２６】
上記の立ち上がり位置Ｚは、ピストンリングＲがセンサ電極１１ａに近接し、センサ電極１１ａに対向する位置にピストンリングＲの端部の配置が開始される位置である。このため、センサ電極１１ａの近傍の領域Ｑ１は、ピストンリングＲがセンサ電極１１ａに近接してはいるものの、ピストンリングＲがセンサ電極１１ａに対向するには至っていない状態にある領域であるということができる。この領域Ｑ１は、クランク角度検出部１４から回転角信号が出力される周期の１０〜２０周期程度の角度を占める。尚、回転角度信号の周期が０．０５°であるとすると、領域Ｑ１は０．５〜１．０°程度の角度（長さに換算すると数ｍｍ程度）を占める。
【００２７】
ステップＳ１１の判断結果が「ＮＯ」である場合には、ステップＳ１１の判断が繰り返される。これに対し、ステップＳ１１の判断結果が「ＹＥＳ」になると、センサ電極１１ａの近傍の領域Ｑ１内における複数点の計測値（静電容量計測部１３で計測された静電容量信号）が膜厚演算部１５で記録される（ステップＳ１２）。具体的には、クランク角度検出部１４から回転角信号が出力される時点で静電容量計測部１３から出力される静電容量信号が、回転角信号が出力される周期の１０〜２０周期に亘って記録される。これにより、センサ電極１１ａの近傍の領域Ｑ１内における複数点（例えば、図５中に示す０．０５°刻みの点ｍ１１〜ｍ２０）における計測値が記録される。
【００２８】
次に、クランク角度検出部１４から出力される回転角信号に基づいて、ピストンリングＲがセンサ電極１１ａと対向する位置に配置されたか否かが膜厚演算部１５によって判断される（ステップＳ１３）。具体的には、クランク角度検出部１４から出力される回転角信号で示される回転角度が回転角度θ２になったか否かが判断される。この判断結果が「ＮＯ」である場合には、ステップＳ１３の判断が繰り返される。
【００２９】
これに対し、クランク角度検出部１４から出力される回転角信号で示される回転角度が回転角度θ２になると、ステップＳ１３の判断結果は「ＹＥＳ」になり、ピストンリングＲがセンサ電極１１ａと対向している状態における静電容量信号が膜厚演算部１５で計測される（ステップＳ１４）。尚、回転角度θ２のときに計測される静電容量信号をＶ１とする。
【００３０】
以上の処理が終了すると、膜厚演算部１５は、ステップＳ１２で記録した計測値の平均値を算出する（ステップＳ１５：第１ステップ）。尚、ここで算出される平均値をＶ０とする。平均値を算出すると、膜厚演算部１５は、ステップＳ１４で計測された静電容量信号Ｖ１（ピストンリングＲがセンサ電極１１ａと対向している状態における静電容量信号）からステップＳ１５で算出した平均値を差し引いて補正計測値を求める（ステップＳ１６：第２ステップ）。具体的には、以下の（２）式を用いて補正計測値Ｖを算出する
Ｖ＝Ｖ１−Ｖ０ …（２）
【００３１】
以上の処理が終了すると、上記の（２）式を用いて求められた補正計測値Ｖに基づいて油膜の膜厚が膜厚演算部１５によって算出される（ステップＳ１７：第３ステップ）。具体的には、補正計測値Ｖに基づいて静電容量センサ１１とピストンリングＲとの間隙に油膜が挟持されることによって形成されるコンデンサの静電容量「Ｃ」を求め、この静電容量「Ｃ」を前述した（１）式に代入して油膜の膜厚Ｔを算出する処理が行われる。
【００３２】
以上、ピストンリングＲがセンサ電極１１ａの埋設箇所を通過する直前の複数点の計測値の平均値を求めて油膜の膜厚を求める処理について説明した。しかしながら、ピストンリングＲがセンサ電極１１ａの埋設箇所を通過した直後の複数点（例えば、図５中に示す領域Ｑ２内における０．０５°刻みの点ｍ２１〜ｍ３０）の計測値の平均値を求めて油膜の膜厚を求めることも可能である。かかる方法で油膜の膜厚を求める場合には、まずピストンリングＲがセンサ電極１１ａと対向している状態における静電容量信号が計測され（ステップＳ１３，Ｓ１４）、次にセンサ電極１１ａの近傍内の複数点の計測値が記録され（ステップＳ１１，Ｓ１２）、最後にステップＳ１５〜Ｓ１７の処理が順に行われる。
【００３３】
また、図５に示す例では、立ち上がり位置Ｚに連続する領域Ｑ１の全体に亘る複数点（点ｍ１１〜ｍ２０）での計測値を測定する例について説明した。しかしながら、立ち上がり位置Ｚに近い位置における計測値を用いると平均値の誤差が生じやすくなると考えられるため、立ち上がり位置Ｚから離間した領域（例えば、図５に示す点ｍ１１〜ｍ１５が含まれる領域Ｑ１の前半部分）における計測値を用いて平均値を算出しても良い。これは、ピストンリングＲがセンサ電極１１ａの埋設箇所を通過した直後の複数点の計測値の平均値を求める場合も同様である。
【００３４】
〔第２実施形態〕
図６は、本発明の第２実施形態による膜厚計測装置の要部構成を示すブロック図である。図６に示す通り、本実施形態の膜厚計測装置２０は、図１に示す膜厚計測装置１０が備える膜厚演算部１５に代えて膜厚演算部１６を備えており、リンダライナＳの内壁面（ピストンリング摺動面Ｌ）とピストンＰに設けられた複数のピストンリングＲ１〜Ｒ３との隙間に形成される潤滑油の油膜の厚さを計測する。
【００３５】
ピストンＰに複数設けられたピストンリングＲ１〜Ｒ３とセンサ電極１１ａとの関係は、センサ電極１１ａの径が、ピストンリングＲ１〜Ｒ３の間隙（ピストンリングＲ１，Ｒ２の間隙、ピストンリングＲ２，Ｒ３の間隙）よりも僅かに小さくなるように設定されている。換言すると、ピストンリングＲ１〜Ｒ３の間隙よりも小さい径を有するセンサ電極１１ａがシリンダライナＳに埋設されている。
【００３６】
本実施形態の膜厚計測装置２０が備える膜厚演算部１６は、図１に示す膜厚演算部１５と同様に、静電容量計測部１３から出力される静電容量信号に対して所定の信号処理を施すことにより、センサ電極１１ａとピストンリングＲとの隙間に形成された油膜の膜厚Ｔを算出する。具体的には、静電容量計測部１３からの静電容量信号に基づいて得られる静電容量を前述した（１）式に代入することによって油膜の膜厚Ｔを算出する。
【００３７】
但し、膜厚演算部１６は、ピストンリングＲ１〜Ｒ３がセンサ電極１１ａの埋設箇所を通過する直前の複数点の計測値、及びその埋設箇所を通過した直後の複数点の計測値の少なくとも一方の計測値に加えて、ピストンリングＲ１〜Ｒ３の間隙部分がセンサ電極１１ａの埋設箇所を通過する際に得られる計測値を用いて平均値を求める。そして、ピストンリングＲ１〜Ｒ３の各々がセンサ電極１１ａの埋設箇所を通過する際に得られる計測値から、その平均値を差し引いて得られる補正計測値に基づいて、油膜の膜厚を求める。
【００３８】
図７は、本発明の第２実施形態において、静電容量計測部１３から出力される静電容量信号の一例を示す図である。尚、図７においては、図３と同様に、横軸にクランクシャフトＫ（クランク軸）の回転角度をとり、縦軸に静電容量信号をとっている。図７に示す通り、静電容量信号は、センサ電極１１ａとピストンリングＲ１〜Ｒ３とが対向する位置（回転角度θ１１〜θ１３，θ２１〜θ２３）においてピーク値をとる。
【００３９】
これに対し、これらの位置（回転角度θ１１〜θ１３，θ２１〜θ２３）を外れると、ピストンリングＲ１〜Ｒ３がセンサ電極１１ａと対向する位置から外れるため、静電容量信号の値が極めて小さくなる。従って、ピストンリングＲ１〜Ｒ３がセンサ電極１１ａの埋設箇所を通過する直前の領域Ｑ１１，Ｑ１３（図５中の領域Ｑ１に相当）及びピストンリングＲ１〜Ｒ３がセンサ電極１１ａの埋設箇所を通過した直前の領域Ｑ１２，Ｑ１４（図５中の領域Ｑ２に相当）においては、静電容量信号の値が極めて小さくなる。また、センサ電極１１ａの径は、ピストンリングＲ１〜Ｒ３の間隙よりも小さく形成されているため、静電容量信号がピーク値をとる位置（回転角度θ１１〜θ１３，θ２１〜θ２３）の間の領域（図７中の領域Ｑ２１〜Ｑ２４）においても静電容量信号の値が極めて小さくなる。
【００４０】
膜厚演算部１６は、図７中における領域Ｑ１１内の複数点の計測値及び領域Ｑ１２内の複数点の計測値の少なくとも一方の計測値に加えて、領域Ｑ２１，Ｑ２２の少なくとも一方における複数点の計測値を用いて前述した平均値を求めている。尚、図７中における領域Ｑ１３内の複数点の計測値及び領域Ｑ１４内の複数点の計測値の少なくとも一方の計測値に加えて、領域Ｑ２３，Ｑ２４の少なくとも一方における複数点の計測値を用いて平均値を求めることも可能である。尚、図７中の領域Ｑ２１〜Ｑ２４内では、必ずしも複数点の計測値を求める必要はなく１点の計測値のみを求めても良い。尚、膜厚計測装置２０の動作は、第１実施形態の膜厚測定装置１０と同様であるため、ここでは説明を省略する。
【００４１】
〔第３実施形態〕
図８は、本発明の第３実施形態による膜厚計測装置の要部構成を示すブロック図である。図８に示す通り、本実施形態の膜厚計測装置３０は、図１及び図６に示す静電容量センサ１１、同軸ケーブル１２、静電容量計測部１３、及びクランク角度検出部１４に加えて、切替器２１、電気抵抗計測部２２、Ａ／Ｄ（アナログ／ディジタル）変換部２３、及び膜厚演算部２４を備える。
【００４２】
この膜厚計測装置３０は、潤滑油が流体潤滑状態にある場合、及び境界潤滑状態にある場合の何れの場合でも、油膜の膜厚を正確に計測することを可能にするものである。ここで、流体潤滑状態とは油膜を挟んで摩擦面同士が離れて滑っている状態をいい、境界潤滑状態とは流体潤滑状態のように十分な厚みの油膜を保持していない状態をいう。本実施形態の膜厚計測装置３０は、流体潤滑状態では静電容量計測部１３によって静電容量を計測することによって油膜の膜厚を正確に計測し、境界潤滑状態では電気抵抗計測部２２によって電気抵抗を計測してシリンダライナＳに対するピストンリングＲ１〜Ｒ３の接触状態の評価を可能にするものである。
【００４３】
切替器２１は、膜厚演算部２４の制御の下で、静電容量センサ１１と静電容量計測部１３又は電気抵抗計測部２２との接続を切り替える。電気抵抗計測部２２は、静電容量センサ１１のセンサ電極１１ａとピストンリングＲ１〜Ｒ３との隙間に形成された潤滑油の油膜の電気抵抗を計測する。図９は、電気抵抗計測部２２の内部構成の一例を示す回路図である。図９に示す通り、電気抵抗計測部２２は、電源３１、抵抗３２，３３、及び電圧計３４を備える。
【００４４】
電源３１は、例えば出力電圧が１．５Ｖである直流電源であり、正極が抵抗３２を介して静電容量センサ１１のセンサ電極１１ａに接続され、負極が静電容量センサ１１のセンサケース１１ｃに接続される。尚、図９に示す通り、電源３１の負極及びセンサケース１１ｃは接地されている。抵抗３２は、抵抗値が既知である抵抗（例えば、１ｋΩ）であり、一端が電源３１の正極に接続され、他端がセンサ電極１１ａに接続される。抵抗３３も抵抗値が既知である抵抗（例えば、１００Ω）であり、電源３１及び抵抗３２に対して並列に接続されている。尚、電圧計３４は、抵抗３３と並列に接続され、抵抗３３に現れる電圧降下（センサ電極１１ａとセンサケース１１ｃとの間に現れる電圧）を測定する。
【００４５】
ここで、電源３１の出力電圧及び抵抗３２，３３の抵抗値が既知であるため、電圧計３４によって電圧を測定すれば、センサ電極１１ａとセンサケース１１ｃとの間の電気抵抗を計測することができる。尚、油膜の膜厚Ｔが薄い場合には電気抵抗計測部２２の計測値が小さくなる一方、油膜の膜厚Ｔが厚い場合には電気抵抗計測部２２の計測値が大きくなる。
【００４６】
Ａ／Ｄ変換部２３は、静電容量計測部１３から出力される静電容量信号、及び電位抵抗計測部２２から出力される電気抵抗信号をディジタル信号に変換する。膜厚演算部２４は、静電容量計測部１３から出力されてＡ／Ｄ変換部２３でディジタル信号に変換された静電容量信号を用いて油膜の膜厚Ｔを算出する。尚、膜厚演算部２４は、第２実施形態で説明した方法と同様の方法を用いて膜厚Ｔを算出する。
【００４７】
また、膜厚演算部２４は、電気抵抗計測部２２から出力されてＡ／Ｄ変換部２３でディジタル信号に変換された電気抵抗信号を用いて油膜の膜厚Ｔを算出する。例えば、油膜の膜厚Ｔと電気抵抗計測部２２で計測される抵抗値との関係を示すテーブルを予め求めておき、このテーブルと電気抵抗計測部２２で計測される抵抗値とを用いて油膜の膜厚Ｔを求める。また、膜厚演算部２４は、切替器２１に対して制御信号を出力し、静電容量センサ１１と静電容量計測部１３又は電気抵抗計測部２２との接続の切り替え制御を行う。
【００４８】
ここで、膜厚演算部２４は、静電容量計測部１３から出力されてＡ／Ｄ変換部２３でディジタル信号に変換された静電容量信号を用いる場合、及び電気抵抗計測部２２から出力されてＡ／Ｄ変換部２３でディジタル信号に変換された電気抵抗信号を用いる場合の何れの場合であっても、第１，第２実施形態と同様の平均値や補正計測値を求めてから油圧の膜厚Ｔを求める。かかる方法で膜厚Ｔを求めることで、膜厚Ｔの測定精度を高めることができる。
【００４９】
上記構成において、エンジンＥの運転中は、通常、膜厚演算部２４から出力される制御信号によって、静電容量センサ１１と静電容量計測部１３とが接続されるように切替器２１が制御され、静電容量計測部１３から出力されてＡ／Ｄ変換部２３でディジタル信号に変換された静電容量信号を用いて、流体潤滑状態にある潤滑油の油膜の膜厚Ｔが計測される。具体的には、例えば図４に示すフローチャートに従った処理と同様の処理が行われて膜厚Ｔが計測される。
【００５０】
これに対し、ピストンリングＲ１〜Ｒ３の何れかがセンサ電極１１ａの埋設箇所を通過している最中の膜厚Ｔが予め設定された値以下になると、膜厚演算部２４の制御によって、静電容量センサ１１と電気抵抗計測部２２とが接続されるように切替器２１が切り替えられる。そして、電気抵抗計測部２２から出力されてＡ／Ｄ変換部２３でディジタル信号に変換された電気抵抗信号を用いて油膜の膜厚Ｔが計測され、境界潤滑状態にあるシリンダライナＳに対するピストンリングＲ１〜Ｒ３の接触状態の評価が行われる。尚、電気抵抗信号を用いる場合にも、例えば図４に示すフローチャートに従った処理と同様の処理が行われて油膜の膜厚Ｔが計測される。
【００５１】
このように、本実施形態では、油膜を挟んで摩擦面同士が離れて滑っている流体潤滑状態である場合には、静電容量に基づいてシリンダライナＳ内部の潤滑油の油膜の膜厚を正確に計測することができる。これに対し、流体潤滑のように十分な厚みの油膜を保持していない境界潤滑状態となってシリンダライナＳにピストンリングＲ１〜Ｒ３が部分的に金属接触した場合であっても、電気抵抗計測部２２によって計測される電気抵抗に基づいて、その接触状態の評価を正しく行うことが可能になる。
【００５２】
以上説明した通り、本発明の第１〜第３実施形態では、ピストンリングＲ（Ｒ１〜Ｒ３）がセンサ電極１１ａの埋設箇所を通過する直前の複数点の計測値、及びその埋設箇所を通過した直後の複数点の計測値の少なくとも一方の計測値の平均値を求め、ピストンリングＲ（Ｒ１〜Ｒ３）がセンサ電極１１ａの埋設箇所を通過する際に得られる計測値から、その平均値を差し引いて得られる補正計測値に基づいて油膜の膜厚を求めている。このため、油膜の膜厚をより高い精度で計測することができる。
【００５３】
以上、本発明の実施形態による膜厚計測装置及び方法について説明したが、本発明は上記実施形態に制限されず、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上記実施形態ではピストンＰに１つ又は３つのピストンリングが設けられている例について説明したが、ピストンに設けられるピストンリングの数が制限されることはない。また、上記実施形態では、説明を簡単にするために、シリンダライナＳに埋設された静電容量センサ１１が１つである例について説明したが、静電容量センサ１１の埋設数及び埋設位置は任意である。
【符号の説明】
【００５４】
１０，２０，３０ 膜厚計測装置
１１ 静電容量センサ
１３ 静電容量計測部
１４ クランク角度検出部
１５，１６ 膜厚演算部
２４ 膜厚演算部
Ｌ ピストンリング摺動面
Ｒ ピストンリング
Ｒ１〜Ｒ３ ピストンリング
Ｓ シリンダライナ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜厚計測装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジン運転時におけるシリンダ内部の潤滑油の膜厚（油膜の膜厚）を計測する方法の一つとして、静電容量を用いた計測方法が挙げられる。この計測方法は、シリンダライナのピストンリング摺動面にセンサ電極を設け、油膜が形成されているピストンリングとセンサ電極との隙間の静電容量を計測し、この静電容量の計測結果に基づいて油膜の膜厚を計測する方法である。
【０００３】
以下の特許文献１には、静電容量を用いた油膜の膜厚を計測する方法の一例が開示されている。具体的には、センサ電極に定電流を供給してセンサ電極とピストンリングとの間隙の静電容量を充電し、充電に伴う充電電圧の変化に基づいて静電容量を検出することにより、高い精度で油膜の膜厚を計測する計測方法が開示されている。また、この特許文献１には、ピストンが下死点に位置するときに得られる静電容量を、ピストンリングがセンサ電極に対向したときに得られる静電容量から差し引いて膜厚を計測することで、センサ電極に接続されるケーブルの静電容量に起因する計測誤差を低減する方法も開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１０７９４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、エンジン運転中はエンジンが振動しているため、ピストンリング摺動面に設けられたセンサ電極に接続されるケーブルの振動等に起因してケーブルの静電容量が変動してしまう。すると、ピストンが下死点に位置していたときのケーブルの静電容量を計測しても、ピストンリングがセンサ電極に対向するまでにケーブルの静電容量が変動してしまい、上記の特許文献１に開示された方法を用いて静電容量の差し引きを行っても、ケーブルの静電容量に起因する計測誤差の低減効果がさほど得られない可能性があり、油膜の膜厚の計測精度を向上させる観点からは問題である。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、油膜の膜厚をより高い精度で計測することができる膜厚計測装置及び方法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】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明の膜厚計測装置（１０、２０、３０）は、シリンダライナ（Ｓ）のピストンリング摺動面（Ｌ）に埋設された検出電極（１１）とピストンリング（Ｒ、Ｒ１〜Ｒ３）との隙間に形成された潤滑油の油膜の静電容量を計測する静電容量計測部（１３）を備えており、当該静電容量計測部の計測値を用いて前記油膜の膜厚を計測する膜厚計測装置において、前記ピストンリングが前記検出電極の埋設箇所を通過する直前の複数点（ｍ１１〜ｍ２０）の計測値及び直後の複数点（ｍ２１〜ｍ３０）の計測値の少なくとも一方の計測値の平均値を求め、前記ピストンリングが前記検出電極の埋設箇所を通過する際に得られる計測値から当該平均値を差し引いて得られる補正計測値に基づいて前記油膜の膜厚を求める膜厚演算部（１５、１６、２４）を備えることを特徴とする。
また、本発明の膜厚計測装置は、前記ピストンリングが、複数設けられており、前記膜厚演算部が、前記複数のピストンリングが前記検出電極の埋設箇所を通過する直前の複数点の計測値及び直後の複数点の計測値の少なくとも一方の計測値に加えて、前記複数のピストンリングの間隙の部分が前記検出電極の埋設箇所を通過する際に得られる計測値を用いて前記平均値を求めることを特徴としている。
また、本発明の膜厚計測装置は、前記ピストンリング摺動面に対する前記ピストンリングの位置を示すクランク回転角を検出するクランク回転角検出部（１４）を備えており、前記膜厚演算部は、前記クランク回転角検出部によって検出されたクランク回転角を用いて前記検出電極と前記ピストンリングとの相対的な位置関係を求めることを特徴としている。
上記課題を解決するために、本発明の膜厚計測方法は、シリンダライナ（Ｓ）のピストンリング摺動面（Ｌ）に埋設された検出電極（１１）とピストンリング（Ｒ、Ｒ１〜Ｒ３）との隙間に形成された潤滑油の油膜の静電容量を計測して前記油膜の膜厚を計測する膜厚計測方法において、前記ピストンリングが前記検出電極の埋設箇所を通過する直前の複数点（ｍ１１〜ｍ２０）の計測値及び直後の複数点（ｍ２１〜ｍ３０）の計測値の少なくとも一方の計測値の平均値を求める第１ステップと、前記ピストンリングが前記検出電極の埋設箇所を通過する際に得られる計測値から当該平均値を差し引いて補正計測値を求める第２ステップと、前記補正計測値に基づいて前記油膜の膜厚を求める第３ステップとを有することを特徴としている。
また、本発明の膜厚計測方法は、前記第１ステップが、複数設けられたピストンリングが前記検出電極の埋設箇所を通過する直前の複数点の計測値及び直後の複数点の計測値の少なくとも一方の計測値に加えて、前記複数のピストンリングの間隙の部分が前記検出電極の埋設箇所を通過する際に得られる計測値を用いて前記平均値を求めるステップであることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、ピストンリングが検出電極の埋設箇所を通過する直前の複数点の計測値及び直後の複数点の計測値の少なくとも一方の計測値の平均値を求め、ピストンリングが検出電極の埋設箇所を通過する際に得られる計測値からその平均値を差し引いて得られる補正計測値に基づいて前記油膜の膜厚を求めており、エンジンの振動等によって生ずるケーブルの静電容量の変動の影響を大幅に排除することができるため、油膜の膜厚をより高い精度で計測することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１実施形態による膜厚計測装置の要部構成を示すブロック図である。
【図２】静電容量センサ１１の構成を示す断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態において、静電容量計測部１３から出力される静電容量信号の一例を示す図である。
【図４】本発明の第１実施形態による膜厚計測方法の一例を示すフローチャートである。
【図５】センサ電極１１ａの近傍を説明する図である。
【図６】本発明の第２実施形態による膜厚計測装置の要部構成を示すブロック図である。
【図７】本発明の第２実施形態において、静電容量計測部１３から出力される静電容量信号の一例を示す図である。
【図８】本発明の第３実施形態による膜厚計測装置の要部構成を示すブロック図である。
【図９】電気抵抗計測部２２の内部構成の一例を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の実施形態による膜厚計測装置及び方法について詳細に説明する。
【００１１】
〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態による膜厚計測装置の要部構成を示すブロック図である。図１に示す通り、膜厚計測装置１０は、静電容量センサ１１（検出電極）、同軸ケーブル１２、静電容量計測部１３、クランク角度検出部１４（クランク回転角検出部）、及び膜厚演算部１５を備えており、エンジンＥにおけるシリンダライナＳの内壁面（ピストンリング摺動面Ｌ）とピストンＰに設けられたピストンリングＲとの隙間に形成される潤滑油の油膜の厚さを計測する。尚、ピストンＰは、ピストンロッドＰＲ及びクランクシャフトＫを介して往復運動が可能である。
【００１２】
静電容量センサ１１は、ピストンリング摺動面Ｌと面一となるようにシリンダライナＳに絶縁状態で埋設されており、同軸ケーブル１２を介して静電容量計測部１３に接続されている。図２は、静電容量センサ１１の構成を示す断面図である。図２に示す通り、静電容量センサ１１は、円筒形状のセンサ電極１１ａを絶縁材１１ｂで同心円状に被覆し、更に絶縁材１１ｂの外周を導電体のセンサケース１１ｃによって同心円状に被覆した構造である。かかる構造の静電容量センサ１１は、ピストンリング摺動面Ｌに対して面一となるようにセンサ取付孔に埋設されている。
【００１３】
静電容量センサ１１が備えるセンサ電極１１ａとピストンＰに設けられたピストンリングＲとが対向することにより、センサ電極１１ａとピストンリングＲとを一対の電極とし、これらの一対の電極の間に油膜が挟持されたコンデンサが形成される。尚、図２においては、センサ電極１１ａとピストンリングＲとによって挟持される油膜の膜厚をＴとしている。
【００１４】
以上の静電容量センサ１１は、同軸ケーブル１２を介して静電容量計測部１３に接続されている。具体的には、図２に示す通り、静電容量センサ１１のセンサ電極１１ａは同軸ケーブル１２の中心部を貫通する内部導線１２ａを介して静電容量計測部１３に接続され、静電容量センサ１１のセンサケース１１ｃは同軸ケーブル１２の絶縁体（図示省略）の外周に配設される外部導線１２ｂ（編組線）を介して静電容量計測部１３の接地部（ＧＮＤ：グランド）に接続される。
【００１５】
静電容量計測部１３は、静電容量センサ１１に対して検出用充電電流を供給する。また、静電容量センサ１１とピストンリングＲとの間隙に油膜が挟持されることによって形成されるコンデンサの静電容量と上記の検出用充電電流とによって発生する静電容量センサ１１の電圧変化に基づいて上記の静電容量を示す電圧信号（静電容量信号）を生成して膜厚演算部１５に出力する。
【００１６】
クランク角度検出部１４は、ロータリエンコーダ等のエンコーダを備えており、クランクシャフトＫ、即ちクランク軸の回転角度を検出し、その回転角度を示す回転角信号を膜厚演算部１５に出力する。尚、クランク軸の回転角とピストンＰの位置とは一対一に対応しているため、クランク角度検出部１４で検出されるクランク軸の回転角度は、ピストンリング摺動面Ｌに対するピストンリングＲの位置を示すということができる。
【００１７】
膜厚演算部１５は、静電容量計測部１３から出力される静電容量信号に対して所定の信号処理を施すことにより、センサ電極１１ａとピストンリングＲとの隙間に形成された油膜の膜厚Ｔを算出する。具体的には、静電容量センサ１１とピストンリングＲとの間隙に油膜が挟持されることによって形成されるコンデンサの静電容量を「Ｃ」、真空中の誘電率を「ε０」、潤滑油の比誘電率を「εｒ」、静電容量センサ１１の面積（ピストンリングＲと対向する面積）を「Ｓ」とすると、ピストンリングＲと静電容量センサ１１との距離、つまり油膜の膜厚Ｔは以下の（１）式によって表される。つまり、コンデンサの静電容量Ｃが分かれば、油膜の膜厚Ｔを以下の（１）式によって求めることができる。
Ｔ＝ε０・εｒ・Ｓ／Ｃ …（１）
【００１８】
また、膜厚演算部１５は、クランク角度検出部１４から出力される回転角信号を用いてセンサ電極１１ａとピストンリングＲとの相対的な位置関係を把握している。このため、膜厚演算部１５は、静電容量計測部１３から出力される静電容量信号が、どの位置にピストンリングＲが配置されているときに得られた信号であるかを常時把握している。ここで、膜厚演算部１５は、ピストンリングＲがセンサ電極１１ａの埋設箇所を通過する直前の複数点の計測値、及びその埋設箇所を通過した直後の複数点の計測値の少なくとも一方の計測値の平均値を求め、ピストンリングＲがセンサ電極１１ａの埋設箇所を通過する際に得られる計測値から、その平均値を差し引いて得られる補正計測値に基づいて、油膜の膜厚を求める。
【００１９】
これは、同軸ケーブル１２の振動によって同軸ケーブル１２の静電容量が変動することによって生ずる膜厚の計測誤差を低減するためである。つまり、油膜の膜厚を計測する直前又は直後に同軸ケーブル１２の静電容量を計測することによって、同軸ケーブル１２の振動等に起因する計測誤差を低減することとしている。この処理の詳細については後述する。尚、膜厚演算部１５で算出された油膜の膜厚Ｔは、例えば液晶表示装置等の表示装置（図示書略）に表示され、或いはその膜厚Ｔを示す信号が外部に出力される。
【００２０】
次に、上記構成における膜厚計測装置１０の動作について説明する。エンジンＥの運転時には、クランク角度検出部１４によってクランクシャフトＫの回転角度が検出されており、一定の回転角度毎（例えば、０．０５°毎）にその検出結果を示す回転角信号が膜厚演算部１５に出力されている。膜厚演算部１５は、クランク角度検出部１４から出力される回転角信号を用いてセンサ電極１１ａとピストンリングＲとの相対的な位置関係を求める。
【００２１】
また、エンジンＥの運転時には、静電容量計測部１３から静電容量センサ１１に対して検出用充電電流が供給されるとともに、静電容量センサ１１から同軸ケーブル１２を介して静電容量計測部１３に入力される電圧変化に基づいてコンデンサ（静電容量センサ１１とピストンリングＲとの間隙に油膜が挟持されることによって形成されるコンデンサ）の静電容量を示す電圧信号（静電容量信号）が生成されて膜厚演算部１５に出力されている。
【００２２】
図３は、本発明の第１実施形態において、静電容量計測部１３から出力される静電容量信号の一例を示す図である。尚、図３においては、横軸にクランクシャフトＫ（クランク軸）の回転角度をとり、縦軸に静電容量信号をとっている。図３に示す通り、静電容量信号は、センサ電極１１ａとピストンリングＲとが対向する位置（回転角度θ１，θ２）においてピーク値をとる。これは、ピストンリングＲとセンサ電極１１ａとが近接状態になり、これらを電極とするコンデンサの容量が増大するためである。これに対し、この位置（回転角度θ１，θ２）を外れると静電容量信号の値が極めて小さくなる。これは、ピストンリングＲとセンサ電極１１ａとが離間してコンデンサの容量が極めて小さくなるためである。
【００２３】
前述した通り、膜厚演算部１５は、クランク角度検出部１４から出力される回転角信号を用いてセンサ電極１１ａとピストンリングＲとの相対的な位置関係を把握している。このため、クランク角度検出部１４から出力される回転角信号で示される回転角度が回転角θ１又は回転角度θ２であるときに、静電容量計測部１３から出力される静電容量信号を用いれば油膜の膜厚Ｔを求めることができる。但し、本実施形態では、振動によって同軸ケーブル１２の静電容量が変動することによって生ずる膜厚の計測誤差を低減するために、以下の処理を行って油膜の膜厚Ｔを求めている。
【００２４】
図４は、本発明の第１実施形態による膜厚計測方法の一例を示すフローチャートである。尚、図４に示すフローチャートは、ピストンリングＲがセンサ電極１１ａの埋設箇所を通過する直前の複数点の計測値の平均値を求めて油膜の膜厚を求める処理を示すフローチャートである。このフローチャートは、エンジンＥの運転開始によって開始され、エンジンＥの運転中は繰り返し実行される。
【００２５】
処理が開始されると、まずクランク角度検出部１４から出力される回転角信号に基づいて、ピストンリングＲがセンサ電極１１ａの近傍に位置するか否かが膜厚演算部１５によって判断される（ステップＳ１１）。ここで、センサ電極１１ａの近傍とは、図５に示す通り、静電容量信号が立ち上がる位置（立ち上がり位置Ｚ）の直前の領域Ｑ１をいう。図５は、センサ電極１１ａの近傍を説明する図である。尚、図５は、図３中の回転角度θ２の付近を横軸方向に拡大した図である。
【００２６】
上記の立ち上がり位置Ｚは、ピストンリングＲがセンサ電極１１ａに近接し、センサ電極１１ａに対向する位置にピストンリングＲの端部の配置が開始される位置である。このため、センサ電極１１ａの近傍の領域Ｑ１は、ピストンリングＲがセンサ電極１１ａに近接してはいるものの、ピストンリングＲがセンサ電極１１ａに対向するには至っていない状態にある領域であるということができる。この領域Ｑ１は、クランク角度検出部１４から回転角信号が出力される周期の１０〜２０周期程度の角度を占める。尚、回転角度信号の周期が０．０５°であるとすると、領域Ｑ１は０．５〜１．０°程度の角度（長さに換算すると数ｍｍ程度）を占める。
【００２７】
ステップＳ１１の判断結果が「ＮＯ」である場合には、ステップＳ１１の判断が繰り返される。これに対し、ステップＳ１１の判断結果が「ＹＥＳ」になると、センサ電極１１ａの近傍の領域Ｑ１内における複数点の計測値（静電容量計測部１３で計測された静電容量信号）が膜厚演算部１５で記録される（ステップＳ１２）。具体的には、クランク角度検出部１４から回転角信号が出力される時点で静電容量計測部１３から出力される静電容量信号が、回転角信号が出力される周期の１０〜２０周期に亘って記録される。これにより、センサ電極１１ａの近傍の領域Ｑ１内における複数点（例えば、図５中に示す０．０５°刻みの点ｍ１１〜ｍ２０）における計測値が記録される。
【００２８】
次に、クランク角度検出部１４から出力される回転角信号に基づいて、ピストンリングＲがセンサ電極１１ａと対向する位置に配置されたか否かが膜厚演算部１５によって判断される（ステップＳ１３）。具体的には、クランク角度検出部１４から出力される回転角信号で示される回転角度が回転角度θ２になったか否かが判断される。この判断結果が「ＮＯ」である場合には、ステップＳ１３の判断が繰り返される。
【００２９】
これに対し、クランク角度検出部１４から出力される回転角信号で示される回転角度が回転角度θ２になると、ステップＳ１３の判断結果は「ＹＥＳ」になり、ピストンリングＲがセンサ電極１１ａと対向している状態における静電容量信号が膜厚演算部１５で計測される（ステップＳ１４）。尚、回転角度θ２のときに計測される静電容量信号をＶ１とする。
【００３０】
以上の処理が終了すると、膜厚演算部１５は、ステップＳ１２で記録した計測値の平均値を算出する（ステップＳ１５：第１ステップ）。尚、ここで算出される平均値をＶ０とする。平均値を算出すると、膜厚演算部１５は、ステップＳ１４で計測された静電容量信号Ｖ１（ピストンリングＲがセンサ電極１１ａと対向している状態における静電容量信号）からステップＳ１５で算出した平均値を差し引いて補正計測値を求める（ステップＳ１６：第２ステップ）。具体的には、以下の（２）式を用いて補正計測値Ｖを算出する
Ｖ＝Ｖ１−Ｖ０ …（２）
【００３１】
以上の処理が終了すると、上記の（２）式を用いて求められた補正計測値Ｖに基づいて油膜の膜厚が膜厚演算部１５によって算出される（ステップＳ１７：第３ステップ）。具体的には、補正計測値Ｖに基づいて静電容量センサ１１とピストンリングＲとの間隙に油膜が挟持されることによって形成されるコンデンサの静電容量「Ｃ」を求め、この静電容量「Ｃ」を前述した（１）式に代入して油膜の膜厚Ｔを算出する処理が行われる。
【００３２】
以上、ピストンリングＲがセンサ電極１１ａの埋設箇所を通過する直前の複数点の計測値の平均値を求めて油膜の膜厚を求める処理について説明した。しかしながら、ピストンリングＲがセンサ電極１１ａの埋設箇所を通過した直後の複数点（例えば、図５中に示す領域Ｑ２内における０．０５°刻みの点ｍ２１〜ｍ３０）の計測値の平均値を求めて油膜の膜厚を求めることも可能である。かかる方法で油膜の膜厚を求める場合には、まずピストンリングＲがセンサ電極１１ａと対向している状態における静電容量信号が計測され（ステップＳ１３，Ｓ１４）、次にセンサ電極１１ａの近傍内の複数点の計測値が記録され（ステップＳ１１，Ｓ１２）、最後にステップＳ１５〜Ｓ１７の処理が順に行われる。
【００３３】
また、図５に示す例では、立ち上がり位置Ｚに連続する領域Ｑ１の全体に亘る複数点（点ｍ１１〜ｍ２０）での計測値を測定する例について説明した。しかしながら、立ち上がり位置Ｚに近い位置における計測値を用いると平均値の誤差が生じやすくなると考えられるため、立ち上がり位置Ｚから離間した領域（例えば、図５に示す点ｍ１１〜ｍ１５が含まれる領域Ｑ１の前半部分）における計測値を用いて平均値を算出しても良い。これは、ピストンリングＲがセンサ電極１１ａの埋設箇所を通過した直後の複数点の計測値の平均値を求める場合も同様である。
【００３４】
〔第２実施形態〕
図６は、本発明の第２実施形態による膜厚計測装置の要部構成を示すブロック図である。図６に示す通り、本実施形態の膜厚計測装置２０は、図１に示す膜厚計測装置１０が備える膜厚演算部１５に代えて膜厚演算部１６を備えており、リンダライナＳの内壁面（ピストンリング摺動面Ｌ）とピストンＰに設けられた複数のピストンリングＲ１〜Ｒ３との隙間に形成される潤滑油の油膜の厚さを計測する。
【００３５】
ピストンＰに複数設けられたピストンリングＲ１〜Ｒ３とセンサ電極１１ａとの関係は、センサ電極１１ａの径が、ピストンリングＲ１〜Ｒ３の間隙（ピストンリングＲ１，Ｒ２の間隙、ピストンリングＲ２，Ｒ３の間隙）よりも僅かに小さくなるように設定されている。換言すると、ピストンリングＲ１〜Ｒ３の間隙よりも小さい径を有するセンサ電極１１ａがシリンダライナＳに埋設されている。
【００３６】
本実施形態の膜厚計測装置２０が備える膜厚演算部１６は、図１に示す膜厚演算部１５と同様に、静電容量計測部１３から出力される静電容量信号に対して所定の信号処理を施すことにより、センサ電極１１ａとピストンリングＲとの隙間に形成された油膜の膜厚Ｔを算出する。具体的には、静電容量計測部１３からの静電容量信号に基づいて得られる静電容量を前述した（１）式に代入することによって油膜の膜厚Ｔを算出する。
【００３７】
但し、膜厚演算部１６は、ピストンリングＲ１〜Ｒ３がセンサ電極１１ａの埋設箇所を通過する直前の複数点の計測値、及びその埋設箇所を通過した直後の複数点の計測値の少なくとも一方の計測値に加えて、ピストンリングＲ１〜Ｒ３の間隙部分がセンサ電極１１ａの埋設箇所を通過する際に得られる計測値を用いて平均値を求める。そして、ピストンリングＲ１〜Ｒ３の各々がセンサ電極１１ａの埋設箇所を通過する際に得られる計測値から、その平均値を差し引いて得られる補正計測値に基づいて、油膜の膜厚を求める。
【００３８】
図７は、本発明の第２実施形態において、静電容量計測部１３から出力される静電容量信号の一例を示す図である。尚、図７においては、図３と同様に、横軸にクランクシャフトＫ（クランク軸）の回転角度をとり、縦軸に静電容量信号をとっている。図７に示す通り、静電容量信号は、センサ電極１１ａとピストンリングＲ１〜Ｒ３とが対向する位置（回転角度θ１１〜θ１３，θ２１〜θ２３）においてピーク値をとる。
【００３９】
これに対し、これらの位置（回転角度θ１１〜θ１３，θ２１〜θ２３）を外れると、ピストンリングＲ１〜Ｒ３がセンサ電極１１ａと対向する位置から外れるため、静電容量信号の値が極めて小さくなる。従って、ピストンリングＲ１〜Ｒ３がセンサ電極１１ａの埋設箇所を通過する直前の領域Ｑ１１，Ｑ１３（図５中の領域Ｑ１に相当）及びピストンリングＲ１〜Ｒ３がセンサ電極１１ａの埋設箇所を通過した直前の領域Ｑ１２，Ｑ１４（図５中の領域Ｑ２に相当）においては、静電容量信号の値が極めて小さくなる。また、センサ電極１１ａの径は、ピストンリングＲ１〜Ｒ３の間隙よりも小さく形成されているため、静電容量信号がピーク値をとる位置（回転角度θ１１〜θ１３，θ２１〜θ２３）の間の領域（図７中の領域Ｑ２１〜Ｑ２４）においても静電容量信号の値が極めて小さくなる。
【００４０】
膜厚演算部１６は、図７中における領域Ｑ１１内の複数点の計測値及び領域Ｑ１２内の複数点の計測値の少なくとも一方の計測値に加えて、領域Ｑ２１，Ｑ２２の少なくとも一方における複数点の計測値を用いて前述した平均値を求めている。尚、図７中における領域Ｑ１３内の複数点の計測値及び領域Ｑ１４内の複数点の計測値の少なくとも一方の計測値に加えて、領域Ｑ２３，Ｑ２４の少なくとも一方における複数点の計測値を用いて平均値を求めることも可能である。尚、図７中の領域Ｑ２１〜Ｑ２４内では、必ずしも複数点の計測値を求める必要はなく１点の計測値のみを求めても良い。尚、膜厚計測装置２０の動作は、第１実施形態の膜厚測定装置１０と同様であるため、ここでは説明を省略する。
【００４１】
〔第３実施形態〕
図８は、本発明の第３実施形態による膜厚計測装置の要部構成を示すブロック図である。図８に示す通り、本実施形態の膜厚計測装置３０は、図１及び図６に示す静電容量センサ１１、同軸ケーブル１２、静電容量計測部１３、及びクランク角度検出部１４に加えて、切替器２１、電気抵抗計測部２２、Ａ／Ｄ（アナログ／ディジタル）変換部２３、及び膜厚演算部２４を備える。
【００４２】
この膜厚計測装置３０は、潤滑油が流体潤滑状態にある場合、及び境界潤滑状態にある場合の何れの場合でも、油膜の膜厚を正確に計測することを可能にするものである。ここで、流体潤滑状態とは油膜を挟んで摩擦面同士が離れて滑っている状態をいい、境界潤滑状態とは流体潤滑状態のように十分な厚みの油膜を保持していない状態をいう。本実施形態の膜厚計測装置３０は、流体潤滑状態では静電容量計測部１３によって静電容量を計測することによって油膜の膜厚を正確に計測し、境界潤滑状態では電気抵抗計測部２２によって電気抵抗を計測してシリンダライナＳに対するピストンリングＲ１〜Ｒ３の接触状態の評価を可能にするものである。
【００４３】
切替器２１は、膜厚演算部２４の制御の下で、静電容量センサ１１と静電容量計測部１３又は電気抵抗計測部２２との接続を切り替える。電気抵抗計測部２２は、静電容量センサ１１のセンサ電極１１ａとピストンリングＲ１〜Ｒ３との隙間に形成された潤滑油の油膜の電気抵抗を計測する。図９は、電気抵抗計測部２２の内部構成の一例を示す回路図である。図９に示す通り、電気抵抗計測部２２は、電源３１、抵抗３２，３３、及び電圧計３４を備える。
【００４４】
電源３１は、例えば出力電圧が１．５Ｖである直流電源であり、正極が抵抗３２を介して静電容量センサ１１のセンサ電極１１ａに接続され、負極が静電容量センサ１１のセンサケース１１ｃに接続される。尚、図９に示す通り、電源３１の負極及びセンサケース１１ｃは接地されている。抵抗３２は、抵抗値が既知である抵抗（例えば、１ｋΩ）であり、一端が電源３１の正極に接続され、他端がセンサ電極１１ａに接続される。抵抗３３も抵抗値が既知である抵抗（例えば、１００Ω）であり、電源３１及び抵抗３２に対して並列に接続されている。尚、電圧計３４は、抵抗３３と並列に接続され、抵抗３３に現れる電圧降下（センサ電極１１ａとセンサケース１１ｃとの間に現れる電圧）を測定する。
【００４５】
ここで、電源３１の出力電圧及び抵抗３２，３３の抵抗値が既知であるため、電圧計３４によって電圧を測定すれば、センサ電極１１ａとセンサケース１１ｃとの間の電気抵抗を計測することができる。尚、油膜の膜厚Ｔが薄い場合には電気抵抗計測部２２の計測値が小さくなる一方、油膜の膜厚Ｔが厚い場合には電気抵抗計測部２２の計測値が大きくなる。
【００４６】
Ａ／Ｄ変換部２３は、静電容量計測部１３から出力される静電容量信号、及び電位抵抗計測部２２から出力される電気抵抗信号をディジタル信号に変換する。膜厚演算部２４は、静電容量計測部１３から出力されてＡ／Ｄ変換部２３でディジタル信号に変換された静電容量信号を用いて油膜の膜厚Ｔを算出する。尚、膜厚演算部２４は、第２実施形態で説明した方法と同様の方法を用いて膜厚Ｔを算出する。
【００４７】
また、膜厚演算部２４は、電気抵抗計測部２２から出力されてＡ／Ｄ変換部２３でディジタル信号に変換された電気抵抗信号を用いて油膜の膜厚Ｔを算出する。例えば、油膜の膜厚Ｔと電気抵抗計測部２２で計測される抵抗値との関係を示すテーブルを予め求めておき、このテーブルと電気抵抗計測部２２で計測される抵抗値とを用いて油膜の膜厚Ｔを求める。また、膜厚演算部２４は、切替器２１に対して制御信号を出力し、静電容量センサ１１と静電容量計測部１３又は電気抵抗計測部２２との接続の切り替え制御を行う。
【００４８】
ここで、膜厚演算部２４は、静電容量計測部１３から出力されてＡ／Ｄ変換部２３でディジタル信号に変換された静電容量信号を用いる場合、及び電気抵抗計測部２２から出力されてＡ／Ｄ変換部２３でディジタル信号に変換された電気抵抗信号を用いる場合の何れの場合であっても、第１，第２実施形態と同様の平均値や補正計測値を求めてから油圧の膜厚Ｔを求める。かかる方法で膜厚Ｔを求めることで、膜厚Ｔの測定精度を高めることができる。
【００４９】
上記構成において、エンジンＥの運転中は、通常、膜厚演算部２４から出力される制御信号によって、静電容量センサ１１と静電容量計測部１３とが接続されるように切替器２１が制御され、静電容量計測部１３から出力されてＡ／Ｄ変換部２３でディジタル信号に変換された静電容量信号を用いて、流体潤滑状態にある潤滑油の油膜の膜厚Ｔが計測される。具体的には、例えば図４に示すフローチャートに従った処理と同様の処理が行われて膜厚Ｔが計測される。
【００５０】
これに対し、ピストンリングＲ１〜Ｒ３の何れかがセンサ電極１１ａの埋設箇所を通過している最中の膜厚Ｔが予め設定された値以下になると、膜厚演算部２４の制御によって、静電容量センサ１１と電気抵抗計測部２２とが接続されるように切替器２１が切り替えられる。そして、電気抵抗計測部２２から出力されてＡ／Ｄ変換部２３でディジタル信号に変換された電気抵抗信号を用いて油膜の膜厚Ｔが計測され、境界潤滑状態にあるシリンダライナＳに対するピストンリングＲ１〜Ｒ３の接触状態の評価が行われる。尚、電気抵抗信号を用いる場合にも、例えば図４に示すフローチャートに従った処理と同様の処理が行われて油膜の膜厚Ｔが計測される。
【００５１】
このように、本実施形態では、油膜を挟んで摩擦面同士が離れて滑っている流体潤滑状態である場合には、静電容量に基づいてシリンダライナＳ内部の潤滑油の油膜の膜厚を正確に計測することができる。これに対し、流体潤滑のように十分な厚みの油膜を保持していない境界潤滑状態となってシリンダライナＳにピストンリングＲ１〜Ｒ３が部分的に金属接触した場合であっても、電気抵抗計測部２２によって計測される電気抵抗に基づいて、その接触状態の評価を正しく行うことが可能になる。
【００５２】
以上説明した通り、本発明の第１〜第３実施形態では、ピストンリングＲ（Ｒ１〜Ｒ３）がセンサ電極１１ａの埋設箇所を通過する直前の複数点の計測値、及びその埋設箇所を通過した直後の複数点の計測値の少なくとも一方の計測値の平均値を求め、ピストンリングＲ（Ｒ１〜Ｒ３）がセンサ電極１１ａの埋設箇所を通過する際に得られる計測値から、その平均値を差し引いて得られる補正計測値に基づいて油膜の膜厚を求めている。このため、油膜の膜厚をより高い精度で計測することができる。
【００５３】
以上、本発明の実施形態による膜厚計測装置及び方法について説明したが、本発明は上記実施形態に制限されず、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上記実施形態ではピストンＰに１つ又は３つのピストンリングが設けられている例について説明したが、ピストンに設けられるピストンリングの数が制限されることはない。また、上記実施形態では、説明を簡単にするために、シリンダライナＳに埋設された静電容量センサ１１が１つである例について説明したが、静電容量センサ１１の埋設数及び埋設位置は任意である。
【符号の説明】
【００５４】
１０，２０，３０ 膜厚計測装置
１１ 静電容量センサ
１３ 静電容量計測部
１４ クランク角度検出部
１５，１６ 膜厚演算部
２４ 膜厚演算部
Ｌ ピストンリング摺動面
Ｒ ピストンリング
Ｒ１〜Ｒ３ ピストンリング
Ｓ シリンダライナ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダライナのピストンリング摺動面に埋設された検出電極とピストンリングとの隙間に形成された潤滑油の油膜の静電容量を計測する静電容量計測部を備えており、当該静電容量計測部の計測値を用いて前記油膜の膜厚を計測する膜厚計測装置において、
前記ピストンリングが前記検出電極の埋設箇所を通過する直前の複数点の計測値及び直後の複数点の計測値の少なくとも一方の計測値の平均値を求め、前記ピストンリングが前記検出電極の埋設箇所を通過する際に得られる計測値から当該平均値を差し引いて得られる補正計測値に基づいて前記油膜の膜厚を求める膜厚演算部を備えることを特徴とする膜厚計測装置。
【請求項２】
前記ピストンリングは、複数設けられており、
前記膜厚演算部は、前記複数のピストンリングが前記検出電極の埋設箇所を通過する直前の複数点の計測値及び直後の複数点の計測値の少なくとも一方の計測値に加えて、前記複数のピストンリングの間隙の部分が前記検出電極の埋設箇所を通過する際に得られる計測値を用いて前記平均値を求める
ことを特徴とする請求項１記載の膜厚計測装置。
【請求項３】
前記ピストンリング摺動面に対する前記ピストンリングの位置を示すクランク回転角を検出するクランク回転角検出部を備えており、
前記膜厚演算部は、前記クランク回転角検出部によって検出されたクランク回転角を用いて前記検出電極と前記ピストンリングとの相対的な位置関係を求める
ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の膜厚計測装置。
【請求項４】
シリンダライナのピストンリング摺動面に埋設された検出電極とピストンリングとの隙間に形成された潤滑油の油膜の静電容量を計測して前記油膜の膜厚を計測する膜厚計測方法において、
前記ピストンリングが前記検出電極の埋設箇所を通過する直前の複数点の計測値及び直後の複数点の計測値の少なくとも一方の計測値の平均値を求める第１ステップと、
前記ピストンリングが前記検出電極の埋設箇所を通過する際に得られる計測値から当該平均値を差し引いて補正計測値を求める第２ステップと、
前記補正計測値に基づいて前記油膜の膜厚を求める第３ステップと
を有することを特徴とする膜厚計測方法。
【請求項５】
前記第１ステップは、複数設けられたピストンリングが前記検出電極の埋設箇所を通過する直前の複数点の計測値及び直後の複数点の計測値の少なくとも一方の計測値に加えて、前記複数のピストンリングの間隙の部分が前記検出電極の埋設箇所を通過する際に得られる計測値を用いて前記平均値を求めるステップであることを特徴とする請求項４記載の膜厚計測方法。
【請求項１】
シリンダライナのピストンリング摺動面に埋設された検出電極とピストンリングとの隙間に形成された潤滑油の油膜の静電容量を計測する静電容量計測部を備えており、当該静電容量計測部の計測値を用いて前記油膜の膜厚を計測する膜厚計測装置において、
前記ピストンリングが前記検出電極の埋設箇所を通過する直前の複数点の計測値及び直後の複数点の計測値の少なくとも一方の計測値の平均値を求め、前記ピストンリングが前記検出電極の埋設箇所を通過する際に得られる計測値から当該平均値を差し引いて得られる補正計測値に基づいて前記油膜の膜厚を求める膜厚演算部を備えることを特徴とする膜厚計測装置。
【請求項２】
前記ピストンリングは、複数設けられており、
前記膜厚演算部は、前記複数のピストンリングが前記検出電極の埋設箇所を通過する直前の複数点の計測値及び直後の複数点の計測値の少なくとも一方の計測値に加えて、前記複数のピストンリングの間隙の部分が前記検出電極の埋設箇所を通過する際に得られる計測値を用いて前記平均値を求める
ことを特徴とする請求項１記載の膜厚計測装置。
【請求項３】
前記ピストンリング摺動面に対する前記ピストンリングの位置を示すクランク回転角を検出するクランク回転角検出部を備えており、
前記膜厚演算部は、前記クランク回転角検出部によって検出されたクランク回転角を用いて前記検出電極と前記ピストンリングとの相対的な位置関係を求める
ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の膜厚計測装置。
【請求項４】
シリンダライナのピストンリング摺動面に埋設された検出電極とピストンリングとの隙間に形成された潤滑油の油膜の静電容量を計測して前記油膜の膜厚を計測する膜厚計測方法において、
前記ピストンリングが前記検出電極の埋設箇所を通過する直前の複数点の計測値及び直後の複数点の計測値の少なくとも一方の計測値の平均値を求める第１ステップと、
前記ピストンリングが前記検出電極の埋設箇所を通過する際に得られる計測値から当該平均値を差し引いて補正計測値を求める第２ステップと、
前記補正計測値に基づいて前記油膜の膜厚を求める第３ステップと
を有することを特徴とする膜厚計測方法。
【請求項５】
前記第１ステップは、複数設けられたピストンリングが前記検出電極の埋設箇所を通過する直前の複数点の計測値及び直後の複数点の計測値の少なくとも一方の計測値に加えて、前記複数のピストンリングの間隙の部分が前記検出電極の埋設箇所を通過する際に得られる計測値を用いて前記平均値を求めるステップであることを特徴とする請求項４記載の膜厚計測方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−１１７７５６（Ｐ２０１１−１１７７５６Ａ）
【公開日】平成２３年６月１６日（２０１１．６．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２７３２８６（Ｐ２００９−２７３２８６）
【出願日】平成２１年１２月１日（２００９．１２．１）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月１６日（２０１１．６．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月１日（２００９．１２．１）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
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