(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
閉空間の容積を求める容積測定装置において、
前記閉空間と一体となる付加空間を有する空間付加手段と、
前記付加空間の容積を所定変化量に変化させる容積変化手段と、
前記容積変化手段を駆動する駆動手段と、
前記駆動手段の駆動を制御することにより、前記容積変化手段の変化量を異なる２以上の値に設定する容積変化制御手段と、
前記閉空間の圧力を測定する圧力測定手段と、
前記２以上の異なる容積変化に対応した前記圧力測定手段の２以上の測定結果から前記閉空間の容積を求める容積演算手段と、
を備えるとを特徴とする容積測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の容積測定装置において、
前記容積変化制御手段は、さらに前記容積変化手段が前記付加空間の容積を２以上の異なる速度で変化させるよう前記駆動手段を制御し、
前記容積演算手段は、前記２以上の異なる変化速度に対応した前記圧力測定手段の２以上の測定結果から前記閉空間の容積を求める、
ことを特徴とする容積測定装置。
【請求項３】
請求項１に記載の容積測定装置において、
前記容積変化制御手段は、さらに前記容積変化手段が前記付加空間の容積を２以上の異なる周期で変化させるよう前記駆動手段を制御し、
前記容積演算手段は、前記２以上の異なる周期に対応した前記圧力測定手段の２以上の測定結果から前記閉空間の容積を求める、
ことを特徴とする容積測定装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の容積測定装置において、
前記空間付加手段の有する付加空間は、主軸に垂直な断面形状が主軸方向に一様である柱状形状をしており、
前記容積変化手段は、前記付加空間の断面と略同一形状を有し、前記付加空間の主軸方向へ前後移動する柱状又は盤状部材である、
ことを特徴とする容積測定装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の容積測定装置において、
前記駆動手段は、供給する電流量に応じて、前記容積変化手段の主軸方向への駆動力を発生させる電磁力アクチュエータである、
ことを特徴とする容積測定装置。
【請求項６】
閉空間と一体となる付加空間の容積を所定量変化させたときの前記閉空間の圧力測定結果から、前記閉空間の容積を求める容積測定方法において、
２以上の異なる容積変化に対応した２以上の圧力測定結果から前記閉空間の容積を求める、
ことを特徴とする容積測定方法。
【請求項７】
請求項６に記載の容積測定方法において、
前記付加空間の容積を２以上の異なる周期で変化させ、
前記２以上の異なる周期に対応した前記圧力測定手段の２以上の測定結果から前記閉空間の容積を求める、
ことを特徴とする容積測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、閉空間の容積を求める容積測定装置及び容積測定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の容積測定装置及び容積測定方法には、容器内の媒質の体積変化とその時の圧力変化を利用して容器容積を測定する装置及び方法があった（特開平４−１９８８３３）。
図７は、従来の容積測定装置及び容積測定方法を説明するための模式図である。図７において、閉空間１００は、容積を求める測定対象である。また、回転式モータ１４０、ピストン１１０、シリンダ１２０及び圧力センサ１３０は、従来の容積測定装置を構成している。
【０００３】
図に示されるように、従来の容積測定装置では、シリンダ１２０は、その内部の空間１５０（以下「付加空間」という）と閉空間１００が一体となるように閉空間１００の容器に設置されている。この状態において、シリンダ１２０内のピストン１１０は、回転式モータ１４０により一定周波数、一定ストロークで上下に駆動される。この結果、付加空間１５０は、正弦波状の体積変化を示し、閉空間１００の圧力が変化する。ここで、付加空間１５０の体積をＶｓ、その体積変化をΔＶ、閉空間１００の体積をＶｃ、その圧力変化をΔＰとすれば、ΔＶ及びΔＰが十分小さいときに次式の近似が成立する。
Ｖｃ＋Ｖｓ＝−ｎ・Ｐ・ΔＶ／ΔＰ                          （１）
ただし、ｎはポリトロープ指数、Ｐは大気圧である。
従来の容積測定装置では、ピストン１１０を駆動することにより生じた閉空間１００の圧力変化ΔＰを測定し、式（１）に代入することにより、閉空間１００の体積Ｖｓを求めていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前述した従来の容積測定装置及び容積測定方法では、例えば自動車用エンジンのように、測定対象であるシリンダが完全な閉空間ではなく、ピストンリング等の隙間において漏れがある場合に、圧力変化ΔＰが小さくなり、その結果、求められた容積が実際より大きくなってしまうという問題があった。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、閉空間の容積を求める容積測定装置において、閉空間と一体となる付加空間を有する空間付加手段（７）と、付加空間の容積を所定変化量に変化させる容積変化手段（３）と、容積変化手段を駆動する駆動手段（２）と、駆動手段の駆動を制御することにより、容積変化手段の変化量を異なる２以上の値に設定する容積変化制御手段（９）と、閉空間の圧力を測定する圧力測定手段（４）と、２以上の異なる容積変化に対応した圧力測定手段の２以上の測定結果から閉空間の容積を求める容積演算手段（１０）とを備えることを特徴としている。
【０００６】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の容積測定装置において、容積変化制御手段は、さらに容積変化手段が付加空間の容積を２以上の異なる速度で変化させるよう駆動手段を制御し、容積演算手段は、２以上の異なる変化速度に対応した圧力測定手段の２以上の測定結果から閉空間の容積を求めることを特徴としている。
請求項３に係る発明は、請求項１に記載の容積測定装置において、容積変化制御手段は、さらに容積変化手段が付加空間の容積を２以上の異なる周期で変化させるよう駆動手段を制御し、容積演算手段は、２以上の異なる周期に対応した圧力測定手段の２以上の測定結果から閉空間の容積を求めることを特徴とする。
【０００７】
請求項４に係る発明は、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の容積測定装置において、空間付加手段の有する付加空間は、主軸に垂直な断面形状が主軸方向に一様である柱状形状をしており、容積変化手段は、付加空間の断面と略同一形状を有し、付加空間の主軸方向へ前後移動する柱状又は盤状部材であることを特徴としている。
請求項５に係る発明は、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の容積測定装置において、駆動手段は、供給する電流量に応じて、容積変化手段の主軸方向への駆動力を発生させる電磁力アクチュエータであることを特徴とする。
【０００８】
請求項６に係る発明は、閉空間と一体となる付加空間の容積を所定量変化させたときの閉空間の圧力測定結果から、閉空間の容積を求める容積測定方法において、２以上の異なる容積変化に対応した２以上の圧力測定結果から閉空間の容積を求めることを特徴としている。
請求項７に係る発明は、請求項６に記載の容積測定方法において、付加空間の容積を２以上の異なる周期で変化させ、２以上の異なる周期に対応した圧力測定手段の２以上の測定結果から閉空間の容積を求めることを特徴としている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面等を参照して、本発明に係る実施形態について、さらに詳しく説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明に係る容積測定装置の第１実施形態を示す断面図である。
本実施形態の容積測定装置１２は、式（１）におけるΔＶを実現するためのシリンダ７と加圧ピストン３、加圧ピストン３を駆動する電磁アクチュエータ２、ピストン変位検出センサ１、圧力センサ４、並びに、装置の制御、及びセンサの検出結果を処理する制御系（８〜１０）等から主に構成されている。また、被測定容器１１は、本実施形態の測定対象であり、内部に閉空間を有する容器である。ただし、被測定容器１１は、その底面又は側面のいずれかに微小な孔部（不図示）を有し、内部の圧力が上昇すると内部に存在する流体がその孔部より容器外へ流出してしまうものとする。
【００１０】
シリンダ７は、本発明における空間付加手段に相当し、主軸に垂直な断面形状が主軸方向に一様である中空柱状部材である。シリンダ７の一端は、被測定容器１１の開口部１１ａに、流体の漏れが発生ないよう接続されている。
加圧ピストン３は、本発明における容積変化手段に相当するものであり、シリンダ７の中空部断面と略同一形状を有し、加圧ピストン３の主軸方向への前後移動が可能な柱状又は盤状部材である。
【００１１】
電磁アクチュエータ２は、本発明における駆動手段に相当するものであり、電磁力により一定の直線に沿った駆動力を発生する、いわゆるリニアアクチュエータである。電磁アクチュエータ２は、その円筒軸をシリンダ７の主軸に略一致させるように配置され、シリンダ７の主軸方向に上下移動が可能である導電性コイル２ａと、導電性コイル２ａの外周側に導電性コイル２ａに接触しない状態で設置されている永久磁石２ｂから主に構成される。導電性コイル２ａは、通電されると、その通電量に比例した電磁力の作用をシリンダ７の主軸方向へ受け、通電量に対応した方向・速度で、通電量に対応した距離を移動する。
【００１２】
連結ロッド５は、加圧ピストン３と電磁アクチュエータ２とを接続する柱状部材であり、シリンダ７の主軸に沿うように２枚のロッド保持板６によって支持されている。上記電磁アクチュエータ２において発生した駆動力は、この連結ロッド５を介して加圧ピストン３へ伝達され、その結果、加圧ピストンは、シリンダ７内を上下に駆動される。
【００１３】
アクチュエータ制御部９は、本発明における容積変化制御手段に相当するものである。アクチュエータ制御部９は、電磁アクチュエータ２への通電量を制御することにより、加圧ピストン３の運動を制御する。より具体的には、アクチュエータ制御部９は、加圧ピストン３が所定のストローク長と周期により正弦波状の単振動運動を行うように上記通電量の制御を行う。なお、上記ストローク長及び周期は、不図示の入力部を介して１の周波数（ｆ）と２以上のストローク長（ａ１、ａ２、．．．）がアクチュエータ制御部９に入力・設定される。
【００１４】
ピストン変位検出センサ１は、加圧ピストン３の位置を検出するセンサであり、本実施形態では、レーザドップラ方式、ＰＳＤ方式等の光学式変位センサを用いている。ピストン変位検出センサ１は、検出結果に対応した信号を変位検出アンプ８へ出力し、変位検出アンプ８は、その出力信号を増幅し、アクチュエータ制御部９へ伝達する。加圧ピストン３の位置情報の伝達を受けたアクチュエータ制御部９は、それに基づき加圧ピストン３が所定のストローク長、周期で運動するよう電磁アクチュエータ２へ供給する電流量を調整する。また、変位検出アンプ８の出力信号は、演算処理部１０へも入力され、演算処理部１０において、ΔＶの値が演算される。
【００１５】
圧力センサ４は、本発明における圧力測定手段に相当するものであり、被測定容器１１内の圧力を測定するセンサである。圧力センサ４は、シリンダ７に隣接する位置において、被測定容器１１の開口部１１ａに流体の漏れが生じない状態で接続されている。本発明において、圧力センサ４は、極めて微小な圧力変化を精度よく測定できるものであることが要求される。そこで、本実施形態では、この条件を満たすものの一つとして、半導体圧力センサを使用している。
【００１６】
演算処理部１０は、本発明の容積演算手段に相当するものである。演算処理部１０は、アクチュエータ制御部９、変位検出アンプ８より、振動運動のストローク長・周期に関する情報等の伝達を受ける。また、演算処理部１０は、圧力センサ４より被測定容器１１内部の圧力又は圧力変化ΔＰに関する出力信号を伝達される。演算処理部１０は、それらの情報を用いて、前述の式（１）に基づいて被測定容器１１の内部の容積Ｖｃを演算する。なお、本実施形態において、演算処理部１０は、上記のほか、圧力センサ４からの出力信号の増幅器としての機能も果たしている。
【００１７】
次に、本実施形態の動作について説明する。
図２は、本実施形態の動作を示す流れ図である。前述のように、本実施形態では、加圧ピストン３の振動運動に関する情報として、アクチュエータ制御部９に１の周波数と、２以上のストローク長が入力・設定されている。ここでは、便宜上、アクチュエータ制御部９に周波数ｆと、３つのストローク長ａ１、ａ２、ａ３（ａ１＜ａ２＜ａ３）が入力・設定されている場合を例に説明を行う。
【００１８】
アクチュエータ制御部９は、不図示の入力部を介してアクチュエータ制御部９に上記設定値が入力されると（２０５）、はじめに加圧ピストン３が周波数ｆ、ストローク長ａ１の運動を行うよう、電磁アクチュエータ２へ電流の供給を行う。この結果、シリンダ７において、シリンダ７の中空部断面積とストローク長ａ１とによって決まる体積変化ΔＶ１が生じ、さらに、体積変化ΔＶ１に起因して、被測定容器１１内に圧力変化ΔＰ１が生じる。
【００１９】
この状態で、演算処理部１０は、圧力センサ４からの出力信号の取り込みを開始し、第１回目の測定を開始する（２１０）。ここで、圧力センサ４の出力信号は、その周期がほぼｆの周期性を有するものである。演算処理部１０は、その出力信号を２周期以上取り込み、各周期における圧力変化Δｐを求め、さらにそれら求められた複数のΔｐの平均値Δｐ１を演算する。次に、演算処理部１０は、Δｐ１と、シリンダ７における体積変化ΔＶ１とから、式（１）に従って被測定容器１１の容積Ｖｃ１を演算し、第１回目の測定を終了する。
【００２０】
次に、本実施形態は、第２回目の測定を開始する（２１５）。第２回目の測定は、第１回目の測定と同様の動作により、加圧ピストン３を周波数ｆ、ストローク長ａ２で振動運動させ、その結果発生する被測定容器１１内の圧力変化ΔＰ２に基づいて、被測定容器１１の容積Ｖｃ２が演算される。
同様に、第３回目の測定（２２０）では、加圧ピストン３を周波数ｆ、ストローク長ａ３で振動運動させ、その結果発生する被測定容器１１内の圧力変化ΔＰ３に基づいて、被測定容器１１の容積Ｖｃ３が演算される。
【００２１】
ここで、本実施形態においては、シリンダ７の中空部の断面積が中空部の主軸方向に一様であることから、加圧ピストン３が駆動することにより生じるシリンダ７の体積変化は、加圧ピストン３の運動のストローク長に比例する。従って、第２回目及び第３回目の測定の際に実現されるシリンダ７の体積変化ΔＶ２、ΔＶ３は、ΔＶ１＜ΔＶ２＜ΔＶ３の関係を有する。
【００２２】
図３は、上記３回の測定によって得られた被測定容器１１の容積Ｖｃ１〜Ｖｃ３とストローク長ａ１〜ａ３との関係を模式的に示した図である。図３（ａ）に示すように、得られた３つの容積は、Ｖｃ１＜Ｖｃ２＜Ｖｃ３の関係を有する。これは、加圧ピストン３の振幅が小となるほど、被測定容器１１内の圧力増加量が小となり、その結果、被測定容器１１からの流体の漏れ量が減少するためである。
【００２３】
３回の測定が終了した後に、演算処理部１０は、図３（ａ）に示す３つの測定結果を直線で補間し（図３（ｂ））、その補間直線より、ストローク長が０でシリンダ７における体積変化がなく、従って流体の漏れ量が皆無である場合の容積Ｖｃ０を求める。
最後に、演算処理部１０は、Ｖｃ０を求める被測定容器１１の容積の真値として表示装置等（不図示）に出力し（２３５）、一連の動作を終了する。
【００２４】
以上説明したように、本実施形態では、アクチュエータ制御部９は、２以上の異なる体積変化（ΔＶ１等）が生じるように電磁アクチュエータ２を駆動し、演算処理部１０は、上記２以上の体積変化に対応して測定される２以上の圧力変化（ΔＰ１等）からΔＶ＝０、すなわち、被測定容器１１等における流体の漏れが全くない状態におけるＶｃを求めている。この結果、本実施形態では、被測定容器１１が完全な閉空間を構成していないものであっても、精度よくかつ容易な操作により被測定容器１１の容積を測定することが可能となっている。
【００２５】
また、本実施形態では、体積変化を発生させる空間付加手段、容積変化手段として、それぞれ主軸方向の断面積が一様な中空柱状部材からなるシリンダ７と、シリンダ７内を主軸方向に上下移動する加圧ピストン３から構成したことから、加圧ピストン３の振動運動のストローク長を変化させるだけで、容易に２以上の異なる体積変化を発生させることが可能となっている。
【００２６】
さらに、加圧ピストン３を駆動するための駆動手段として、通電量に比例した駆動力を一定の直線に沿って発生するリニアアクチュエータ（電磁アクチュエータ２）を用い、さらに電磁アクチュエータ２へ供給する電流量をアクチュエータ制御部９によって制御する構成としたので、加圧ピストン３のストローク長を容易に設定・制御する事が可能となっている。
【００２７】
（第２実施形態）
次に、本発明に係る第２実施形態について説明する。
本実施形態は、加圧ピストン３の振動運動の周波数をも２以上設定可能とした点において、第１実施形態と異なる。すなわち、本実施形態は、アクチュエータ制御部９に２以上のストローク長、及び、２以上の周波数を入力・設定する。また、アクチュエータ制御部９は、設定された周波数のそれぞれにつき、順次、設定された各ストローク長で運動するように加圧ピストン３を駆動・制御する。
【００２８】
図４は、本実施形態の動作を示す流れ図である。ここでは、便宜上、アクチュエータ制御部９に３つの周波数ｆ１＝５０、ｆ２＝６０、ｆ３＝７０［Ｈｚ］と、３つのストローク長ａ１、ａ２、ａ３（ａ１＜ａ２＜ａ３）が入力・設定されている場合を例に説明を行う。
【００２９】
図４に示されるように、本実施例では、設定された周波数とストローク長のすべての組み合わせについてそれぞれ１回ずつ、合計９回の測定を行う（３１０〜３５０）。
図５は、その測定によって得られた被測定容器１１の容積Ｖｃ１１〜Ｖｃ３３と、周波数及びストローク長との関係を模式的に示した図である。ここで、Ｖｃｉｊは、周波数ｆｉ、ストローク長ａｊで加圧ピストン３を運動させた場合の測定結果から演算処理部１０が演算した被測定容器１１の容積を表す。
【００３０】
図５（ａ）において示されるように、Ｖｃｉｊは、ストローク長が同一であっても、周波数が異なると異なる値を示す。これは、シリンダ７における体積変化が異なる周波数で生じる、すなわち、シリンダ７における体積変化、及び被測定容器１１内の圧力変化が異なる速度で生じると、被測定容器１１の孔部より流出又は流入する流体の流動特性が異なり、流体の漏れ量が変化することに起因するものである。
【００３１】
演算処理部１０は、全測定が終了した後に周波数ｆ１に係る３つの容積（Ｖｃ１１、Ｖｃ１２、Ｖｃ１３）から、第１実施形態と同様の方法によりストローク長がゼロである場合の容積Ｖｃ０１を求める。同様に、演算処理部１０は、周波数ｆ２、ｆ３のそれぞれにによって求められた各容積より、容積Ｖｃ０２、Ｖｃ０３を求める。
次に、演算処理部１０は、Ｖｃ０１〜Ｖｃ０３の算術平均Ｖｃ０を演算し、第１実施例と同様、このＶｃ０を求める被測定容器１１の容積の真値として表示装置等に出力し（３６５）、一連の動作を終了する。
【００３２】
以上説明したように、本実施形態では、加圧ピストン３を２以上の異なる周波数で振動運動させることにより、被測定容器１１に異なる周期の圧力変化を発生させ、被測定容器１１の容積を周波数毎に算出し、それら算出された複数の容積から被測定容器１１の真の容積を求めている。
前述のように、本実施形態で用いている容積測定方法では、漏れのある閉空間を測定対象とする場合に、加圧ピストン３の振動周波数、すなわち、体積変化の変化速度に起因した測定誤差が必然的に含まれる。これに対して、本実施形態は、上述のように複数の異なる体積の変化速度のそれぞれについて容積を求め、それら求められた複数の容積から真の容積を算出することにより、上記問題を解決し、より精度のよい容積測定を可能としている。
【００３３】
（その他の実施形態）
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【００３４】
１）上記実施形態においては、空間付加手段及び容積変化手段として、シリンダ７及び加圧ピストン３からなるピストン構造を採用しているが、これは、付加空間の容積が明確なものであり、かつ、その付加空間における体積変化量を任意に又は段階的に調整できるものであれば、他の手段を用いることであってもよい。
２）上記実施形態において、シリンダ７によって実現される「付加空間」とは、必ずしも被測定装置１１の外部に位置するもののみを意味するものではない。本発明は、図６に示すように、シリンダ７がその先端部を被測定容器１１の内部に位置させるように設置され、加圧ピストン３は、被測定装置１１の内部領域内でシリンダ７の中を上下運動することであってもよく、この場合、「付加空間」は、被測定装置１１の内部に存在することとなる。
３）上記実施形態においては、各測定から得られた容積を直線により補間しているが、これは、測定結果によっては、２次以上の曲線によって補間することであってもよい。
【００３５】
４）第２実施形態では、Ｖｃ０１〜Ｖｃ０３の算術平均をもって被測定容器１１の容積の真値としているが、これは、測定対象の形状等を考慮して、Ｖｃ０１〜Ｖｃ０３のそれぞれに適当な重み付けをした上で平均を取ることであってもよい。重み付けの方法としては、例えば、補間直線の傾きを考慮に入れた係数をＶｃ０１〜Ｖｃ０３のそれぞれに付加する方法などがある。
５）第２実施形態では、加圧ピストンの振動周波数の最大は、７０Ｈｚに設定されているが、これは、加圧ピストン及びシリンダの耐久性などを考慮して設定したものである。従って、より高い機械的強度を有する構造又は材質による加圧ピストン及びシリンダを用いる場合は、さらに高い周波数で駆動することも可能である。なお、一般的には、加圧ピストンの振動周波数を高くする方が、測定の精度が向上する。
【００３６】
【発明の効果】
以上詳しく説明したように、本発明によれば、閉空間の容積を求める容積測定装置において、閉空間が完全な閉空間を構成していないものであっても、精度よくかつ容易な操作によりその容積を測定することが可能な容積測定装置を提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る容積測定装置の第１実施形態を示す断面図である。
【図２】本発明に係る第１実施形態の動作を示す流れ図である。
【図３】本発明に係る第１実施形態において、測定によって得られた容積とストローク長との関係を模式的に示した図である。
【図４】本発明に係る第２実施形態の動作を示す流れ図である。
【図５】本発明に係る第２実施形態において、測定によって得られた容積とストローク長との関係を模式的に示した図である。
【図６】本発明に係る容積測定装置の変形例を示す部分断面図である。
【図７】従来の容積測定装置及び容積測定方法を説明するための模式図である。
【符号の説明】
１  ピストン変位検出センサ
２  電磁アクチュエータ
３  加圧ピストン
４  圧力センサ
５  連結ロッド
６  ロッド保持板
７  シリンダ
８  変位検出アンプ
９  アクチュエータ制御部
１０  演算処理部
１１  被測定容器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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