(57)【要約】【課題】互いに近接して実質的に平行に対向配置された２つの固体壁面間の微小距離を測定することにより、エンジンのシリンダとピストンリングの間に形成される油膜の厚さを実機に即して測定することができる方法を提供する。【解決手段】２つの固体壁面に対し実質的に垂直の方向に超音波のパルスを発射し、２つの固体壁面からの反射パルスの干渉により生ずる干渉パルスの音圧レベルが源パルスの音圧レベルに対してなす比と距離との関係を予め検定しておくことにより、個々に測定された前記比の値より該距離を推定する。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに近接して実質的に平行に対向配置された２つの固体壁面間の微小距離を測定する方法にして、前記２つの固体壁面に対し実質的に垂直の方向に超音波のパルスを発射し、該２つの固体壁面からの反射パルスの干渉により生ずる干渉パルスの音圧レベルが源パルスの音圧レベルに対してなす比と該距離との関係を予め検定しておくことにより、個々に測定された前記比の値より該距離を推定することを特徴とする方法。
【請求項２】
前記検定に当たって、少なくとも一方の固体壁面の一部に窪み部を形成した固体壁面どうしを互いに重ね合わせ、前記窪み部の深さにより固体壁面間距離を設定すること特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記２つの固体壁面をエンジンのシリンダとピストンリングの対向壁面として両壁面間の距離を測定することにより、シリンダとピストンリングの間に形成される油膜の厚さを測定すること特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記検定は円弧状壁面を呈するシリンダ壁模擬部材によりシリンダ壁面を模して行われることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記シリンダ壁模擬部材は前記円弧状壁面の中央部に前記窪み部を形成されることを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記シリンダ壁模擬部材は板状とされ、複数の壁面間距離を検定する複数枚の板状シリンダ壁模擬部材が互いに重ね合わされて検定に供されることを特徴とする請求項４または５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波による距離測定の技術に係り、特に互いに近接して実質的に平行に対向配置された２つの固体壁面間の微小距離を超音波により測定し、これによってエンジンのシリンダ壁とピストンリングの間に形成される油膜の厚さを対向壁面間の距離として測定することができる方法に係る。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】
特開平７−２０８９６号公報
超音波のパルスの反射を利用して物体の厚みを測定する超音波厚み測定器が開示されており、特に測定する物体の表面もしくはＵ溝内底に当接して超音波を発射する探触子の先端を対向する両側より研削して先細のくさび形状とすると共に、探触子の長手方向に沿ってその中央にスリットを形成して分割し、一方の側を通って物体表面へ向けて発射された超音波パルスが物体の裏面にて反射されて戻ってくるまでの時間差より物体の厚みを測定することが開示されている。
【０００３】
物体の厚み或いは二物体間の距離を測定する方法としては、上記の如く超音波パルスの反射に於ける時間差による他、静電容量による方法、光の干渉による方法、赤外線分光法、レーザ誘起蛍光法、エリプソメント法等が知られている。特に、エンジンのシリンダ壁とピストンリングの間に形成される油膜の厚さを測定する場合の如く、互いに近接して実質的に平行に対向配置された２つの固体壁面間の微小距離を測定するには、従来、一方の固体の微小変位を静電容量の変化等により測定する方法が用いられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
エンジンのシリンダ壁とピストンリングの間に形成される油膜の厚さを知ろうとするとき、それを実際のエンジンに於いて測定することはおよそ不可能である。そこで実験装置により近似されることになるが、油膜の厚さはそれを挟む壁面の粗さや親油性等により異なってくるので、より正確なデータを得ようとすれば、実験装置として用意される２つの固体壁面のそれぞれが実際のシリンダおよびピストンリングと同等の金属材料により作られていることが重要である。このように固体壁面間微小距離の測定は、単に幾何学的な距離測定ではなく、固体壁面を呈する材料の特定を要することが多く、それによって例えば光は使用できない等、測定手段或は測定媒体に制約を受けることが多い。
【０００５】
２つの固体壁面の間の距離をその間に超音波が伝播する時間により測定することは、前述の特開平７−２０８９６に於ける如く知られている。しかし、超音波パルスが物体の壁面にて反射されて戻ってくるまでの時間差より壁面の位置を測定する原理による限り、シリンダ壁とピストンリングの間に形成される油膜の厚さに相当するような微小距離だけ隔たった２つの壁面より反射されてくる２つの超音波パルスを個別に捉えてその間の時間差を測定するには、かなり高精度の測定器を要する。
【０００６】
本発明は、上記の事情に鑑み、より簡単な装置により、互いに近接して実質的に平行に対向配置された２つの固体壁面間の微小距離を測定することができ、それによってエンジンのシリンダ壁とピストンリングとの間に形成される油膜の厚さの如き対象の測定が可能な固体壁面間微小距離測定方法を提供すること課題としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するものとして、本発明は、互いに近接して実質的に平行に対向配置された２つの固体壁面間の微小距離を測定する方法にして、前記２つの固体壁面に対し実質的に垂直の方向に超音波のパルスを発射し、該２つの固体壁面からの反射パルスの干渉により生ずる干渉パルスの音圧レベルが源パルスの音圧レベルに対してなす比と該距離との関係を予め検定しておくことにより、個々に測定された前記比の値より該距離を推定することを特徴とする方法を提供するものである。
【０００８】
前記検定に当たっては、少なくとも一方の固体壁面の一部に窪み部を形成した固体壁面どうしを互いに重ね合わせ、窪み部の深さにより固体壁面間距離を設定してよい。
【０００９】
上記の方法は、２つの固体壁面をエンジンのシリンダとピストンリングの対向壁面として両壁面間の距離を測定することにより、シリンダとピストンリングの間に形成される油膜の厚さを測定する方法とされてよい。
【００１０】
その場合、前記検定は円弧状壁面を呈するシリンダ壁模擬部材によりシリンダ壁面を模して行なわれてよく、またそのようなシリンダ壁模擬部材はその円弧状壁面の中央部に前記窪み部が形成されてよい。
【００１１】
上記の如きシリンダ壁模擬部材は板状とされ、複数の壁面間距離を検定する複数枚の板状シリンダ壁模擬部材が互いに重ね合わされて検定に供されてよい。
【００１２】
【発明の作用及び効果】
互いに近接して実質的に平行に対向配置された２つの固体壁面間の微小距離を測定するに当たって、２つの固体壁面に対し実質的に垂直の方向に超音波のパルスを発射し、２つの固体壁面からの反射パルスの干渉により生ずる干渉パルスの音圧レベルが源パルスの音圧レベルに対してなす比と距離との関係を予め検定しておくことにより、個々に測定された前記比の値より距離を推定するようにすれば、２つの超音波パルスの間の微小な時間差を測定する場合の如く高精度の時間差測定手段を要することなく、超音波パルスの音圧レベルを測定するという比較的容易で安価な方法により、エンジンのシリンダ壁とピストンリングとの間に形成される油膜の厚さの如き微小な２固体壁面間の距離を、固体壁面およびその間にある物質が実物に即している状態にて、測定することができる。尚、源パルスの音圧レベルに対し音圧レベルを対比される干渉パルスは２つの固体壁面からの反射パルスの干渉により音圧レベルが顕著に変化すればよく、各固体壁面に於ける反射回数は問はない。
【００１３】
即ち、図１に示す如く２つの固体物体１および２が互いに近接して実質的に平行に対向配置された２つの固体壁面３および４を呈している場合に、これに対し固体物体１または２のいずれか一方の側（図示の例では固体物体２の側）から超音波パルスが発射されると、２つの固体壁面のうち音源に対して近い方の壁面（図示の例では壁面４）にて反射した第一の反射パルスＡが生ずると共に、更にこれより遅れて音源に対して遠い方の壁面（図示の例では壁面３）にて反射した第二の反射パルスＢが生ずる。これらの反射パルスを任意の一点で観測すると、両者間の時間差は、壁面３と４の間の間隙の距離をＬとし、該間隙を満たす潤滑油等の媒体中の音速をＶとすれば、２Ｌ／Ｖであり、Ｌの値が微小であればそれだけこの時間差は小さく、これを正確に測定するにはそれに応じた高精度の時計を必要とする。
【００１４】
これ対し、本発明は、時間差２Ｌ／Ｖの計測に頼ることなく、計測の対象となる距離Ｌの大きさと両壁間にある媒体中に於ける音速Ｖとに応じてパルス幅Ｗの大きさを適当に選定することにより、少なくとも前記第一および第二の反射パルスが適当な割合にて互いに重なり合うようにし、その際重なりの度合いに応じて干渉による音圧レベルの変化が顕著に現れるよう、パルス幅Ｗ内に含まれる波数を超音波の周波数により適当に調整しておくことにより、Ｌの変化と干渉パルスの音圧レベルの変化の対照が可及的に鮮明になるようにし、それを予め検定により求めておくことにより、個々の測定に於いて音圧レベルの変化からＬの変化を推定するものである。尚、かかる発明の作用に照らして、パルス幅Ｗの選定及び超音波周波数の選定は、請求項１の記載に於ける「該２つの固体壁面からの反射パルスの干渉により生ずる干渉パルスの音圧レベルが源パルスの音圧レベルに対してなす比と該距離との関係を予め検定しておくことにより、個々に測定された前記比の値より該距離を推定する」という事項に含まれる事項である。
【００１５】
上記の検定に当たって、少なくとも一方の固体壁面の一部に窪み部を形成した固体壁面どうしを互いに重ね合わせ、窪み部の深さにより固体壁面間距離を設定するようにすれば、シリンダ壁面とピストンリングの間に形成される油膜の厚さに相当するような微小距離を測定せんとするとき、検定装置を容易にしかも高精度に準備することができる。
【００１６】
上記の通り、本発明は、互いに近接して実質的に平行に対向配置された２つの固体壁面間の微小距離を測定する方法であるので、エンジンのシリンダ壁面とそれに当接するピストンリングの間に形成される油膜の厚さを実物に即して測定するのに適している。しかしそれでもなお、実物のシリンダを用いて検定を行うには多々不便がある。そこで、上記の検定は円弧状壁面を呈するシリンダ壁模擬部材によりシリンダ壁面を模して行うと便利である。この場合、円弧状壁面の中央部に前記窪み部が形成されるようにすれば、円弧状壁面に実物のピストンリングまたはそれを模したピストンリング模擬部材を適度の保持力で押し当てることにより、所定の固体壁間距離を安定した状態に作り出すことができる。
【００１７】
またシリンダ壁模擬部材が板状とされ、複数の壁面間距離を検定する複数枚の板状シリンダ壁模擬部材が互いに重ね合わされて検定に供されるようにすれば、個々の固体壁面間距離についての検定が相対的に安定したものとなり、測定精度を向上させることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図２および図３は本発明の超音波パルス干渉による２固体壁面間距離測定方法をシリンダ壁とピストンリングとの間に形成される油膜の厚さの測定に適用する場合に、上述の反射パルスの源パルスに対する音圧レベル比と測定対象距離との間の対応を検定する装置の一例を示す正面図および側面図であり、図４は該装置の一部をなすシリンダ壁模擬部材の一例をより詳細に示す側面図である。
【００１９】
これらの図に於いて、１０は検定の対象となるピストンリングまたはそれと同じ材料により作られたピストンリング模擬部材であり、１２−１〜１２−１２はそれぞれ検定の対象となるシリンダ壁と同じ材料により作られ、以下に説明する窪み部にて実際のシリンダ壁と同等の表面を有するように仕上げられたシリンダ壁模擬部材である。図示の例ではシリンダ壁模擬部材は１２個準備されている。尚、図示の実施例の如く超音波がピストンリングの側から発射される場合には、シリンダ壁模擬部材の方は超音波を表面で反射するだけであるが、材料やその表面の仕上がり状態により超音波の反射特性に差が生じまた油膜の形成状態にも差が生じることが考えられるので、そのような差を排除するためには、検定に使用するシリンダ壁模擬部材も検定の対象となるシリンダ壁と同じ材料により作られているのが好ましい。
【００２０】
シリンダ壁模擬部材１２−１他は、シリンダ壁面とピストンリングの相対関係を模するに十分な円周方向の広がりを有する円弧面１４を呈する浅いＵ字型のブロック部材であり、シリンダ壁模擬部材１２−１から１２−１２まで順次異なる壁間距離を検定するよう、以下に図４を参照して説明される如くその円弧面１４の中央部に壁間距離に相当する深さの窪み部１６が形成されている。尚、ピストンリングの方も、実物が用いられる場合は別して、ピストンリング模擬部材が用いられる場合には、シリンダ壁模擬部材の円弧面１４に対応する円周方向の広がりを有する円弧状の部材であってもよい。
【００２１】
図示の実施例に於ける１２個のシリンダ壁模擬部材１２−１他は板状とされ、台板１８上に図示の如く重ね合わされて固定されている。こうして１枚の台板上に装着されたシリンダ壁模擬部材１２−１他の組立体は、タンク２０内の底部上に置かれている。このタンク内には検定時にシリンダ壁模擬部材の円弧面が没するまで所定の潤滑油が満たされる。またタンク２０の下面にはヒータ２２が取り付けられており、シリンダ壁模擬部材１２−１他を検定に適した温度に加熱するようになっている。タンク２０は基台２４上に２つのＵ字型支持脚２６により支持されている。
【００２２】
この実施例では実物のサンプルであるピストンリング１０はピストンリング取り付け板２８に予め取り付けられ、この取り付け台と共に可動のピストンリング支持腕３０の先端部に図示の要領にて取り付けられている。即ち、ピストンリング支持腕３０はその先端部にスリット３２によって隔てられた一対の挟み片３４を有しており、スリット３０内にピストンリングを取り付けたピストンリング取り付け板２８が挿入されると、それを一対の挟み片３４により挟んで締結ボルト３６により締め付けて固定するようになっている。ピストンリング支持腕３０は移動台３８により上下方向に移動可能に担持されており、この上下方向の移動はハンドル４０を適当に回転させることにより行われる。移動台３８は基台２４上に固定された水平案内台４２上に図２で見て左右方向に移動可能に担持されており、この左右方向の移動はハンドル４４を適当に回転させることにより行われるようになっている。かくしてハンドル４０および４４を適当に操作することにより、ピストンリング１０はシリンダ壁模擬部材１２−１〜１２−１２の任意の一つの円弧面１４に対し押し当てられる。
【００２３】
シリンダ壁模擬部材１２−１〜１２−１２の円弧面１４には、図４に示す如くその中央部に油膜厚さの測定に当たって想定されるいくつかの油膜の厚さに等しい深さの窪み部１６が形成されている。この場合、円弧面１４はピストンリング模擬部材１０と蜜に接触するので、円弧面１４の半径Ｒ１は、正確には、対象とされる実際のシリンダ壁の半径よりも想定される油膜の厚さ分だけ小さく、窪み部１６の半径Ｒ２が実際のシリンダ壁の半径とされるべきであるが、油膜の厚さは極微小であるので、実際の装置としては、円弧面１４の半径Ｒ１は対象とされる実際のシリンダ壁の半径であってもよい。
【００２４】
円弧面１４の窪み部１６が形成されている角度範囲は、あまり小さいと実際のエンジンに於ける環状の間隙に対比して誤差が生ずる恐れがあり、また大きすぎるとピストンリング模擬部材を円弧面に押し当てたときピストンリング模擬部材が窪み部内に撓み込み、窪み部の深さに対応した一様な間隙が得られなくなる恐れがある。図示の実施例では、窪み部１６が形成されている範囲の角度θは約４０度である。かかる窪み部は円筒状グラインダ４６にてこの部分をシリンダ壁面の研削と同様の要領にて研削することにより形成されてよい。シリンダ壁模擬部材１２−１〜１２−１２は油膜の厚さとして想定される寸法の範囲を１２段階に分けてそれぞれの大きさに対応する窪み部深さを有するものに作られている。
【００２５】
ピストンリングまたはピストンリング模擬部材１０にはその最下端位置に内側から超音波発信素子と超音波受信素子とを組み合わせた超音波探知ヘッド４８が取り付けられる。この超音波探知ヘッドはケーブル５０により電子制御装置５２と接続されている。電子制御装置５２はマイクロコンピュータによる計算機能と制御機能を備え、超音波探知ヘッド４８へ作動信号を送って所定周波数の超音波を所定パルス幅のパルスとしてピストンリングまたはピストンリング模擬部材内を通ってシリンダ壁模擬部材の窪み部１６の壁面へ向けて発射させ、図１に於いて反射パルスＡ、Ｂ、Ｃとして説明した反射パルスに感応して超音波受信素子が発する信号を受け、それより干渉パルスの音圧レベルを測定し、源パルスに対する音圧レベルの比を求め、かかる音圧レベル比と窪み部深さ（２壁間距離）Ｌの間の対応を，１２−１〜１２−１２の１２個のシリンダ壁模擬部材について求める（即ち、検定する）。尚、かかる検定は、シリンダ壁模擬部材の円弧面が油膜厚さ測定の対象とされる潤滑油の層中に没した状態で行なわれる。
【００２６】
かくして想定される油膜厚さの変動範囲にわたって油膜厚さと音圧レベル比の対照（この実施例では１２種類）が得られると、これに基づいて油膜厚さ測定試験が図５および図６に解図的に示す如き試験装置により行われてよい。
【００２７】
これらの図に於いて、５４は油膜厚さ測定の対象となるシリンダ壁を模したシリンダ壁面を呈するシリンダ部材であり、一対の支柱５６によりそれに沿って上下に移動可能に支持された垂直スライダ５８によりその中心軸線に沿って移動可能に担持されている。一対の支柱５６は基台６０に装着されており、基台６０上に組み付けられた図には示されていない電動式或いは油圧式の駆動装置により、垂直スライダ５８は、所定の往復動範囲内にて所定の周期にて自動的に上下に往復動されるようになっていてよい。
【００２８】
シリンダ部材５４内には試験の対象となるピストンリング６２がピストンリング支持部材６４によりシリンダ壁面に摺接するよう支持されている。ピストンリング支持部材６４はシリンダ部材５４の上端　壁６６に形成された案内孔６８を貫通する軸部７０とその下端に形成されたフランジ部７２とを有し、フランジ部７２にてパッド７４とディスク部材７６の間に挟まれたピストンリング６２を数本のボルト７８にて担持するようになっている。パッド７４は多孔質のクッション部材であり、油膜厚さ測定の対象となる潤滑油を含浸されている。
【００２９】
軸部７０は上端部にて支柱５６間に張り渡された横部材８０により支持されたクランプ部材８２によって保持されている。ピストンリング支持部材６４の高さ位置はクランプ部材８２のクランプハンドル８４を一時弛めることにより随時任意に調節できるようになっている。尚、シリンダ部材５４やピストンリング支持部材６４の下方に配置されている符号８６を付されたものは上から滴る潤滑油滴を受ける容器である。
【００３０】
ピストンリング支持部材６４のフランジ部７２に取りつけられたピストンリング６２には、その一箇所の内側に図２および図３の検定装置に用いられたと同じ超音波探知ヘッド４８が取り付けられており、同様のケーブル５０により同様の電子制御装置５２と連結されている。
【００３１】
以上の如き測定装置に於いて垂直スライダ５８を支柱５６に沿って上下にサイクル移動させつつ超音波探知ヘッド４８により上記の干渉パルスレベル比を検出し、その値を予め設定された壁面間距離に対照させることにより、或る実機と同等の材料により実機と同等の寸法に作られ且つその壁面が実機と同等の状態に仕上げられたシリンダ壁に対し、ある所定の材料よりある所定の工程を経て製造されたピストンリングが、所定の潤滑油による潤滑の下に、所定のサイクル速度にて摺動しつつあるとき、ある所定の弾性力の下にシリンダ壁へ向けて付勢された状態にあるピストンリングとシリンダ壁面の間にどれほどの厚さの油膜が形成されるかを、実機に即した高い精度にて求めることができる。
【００３２】
以上に於いては本発明を一つの実施例について詳細に説明したが、かかる実施例について本発明の範囲内にて種々の修正が可能であることは当業者にとって明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明により固体壁面間の微小距離を超音波パルス干渉により測定する原理を説明する概略図。
【図２】本発明による固体壁面間微小距離超音波パルス干渉測定をシリンダ壁とピストンリングとの間に形成される油膜の厚さの測定に適用する場合に音圧レベル比と測定対象距離との間の対応を検定する装置の一例を示す正面図。
【図３】同装置の側面図。
【図４】同装置に用いられるシリンダ壁模擬部材の一例をより詳細に示す側面図。
【図５】図２〜図４に示す検定装置による検定結果を使用してシリンダ壁とピストンリングの間に形成される油膜の厚さを測定する装置の一例を示す一部断面による解図的側面図。
【図６】同装置の概略上面図。
【符号の説明】
１０…ピストンリングまたはピストンリング模擬部材、１２…シリンダ壁模擬部材、１４…円弧面、１６…窪み部、１８…台板、２０…タンク、２２…ヒータ、２４…基台、２６…Ｕ字型支持脚、２８…ピストンリング取り付け板、３０…ピストンリング支持腕、３２…スリット、３４…挟み片、３６…締結ボルト、３８…移動台、４０…ハンドル、４２…水平案内台、４４…ハンドル、４６…グラインダ、４８…超音波探知ヘッド、５０…ケーブル、５２…電子制御装置、５４…シリンダ部材、５６…支柱、５８…垂直スライダ、６０…基台、６２…ピストンリングまたはピストンリング模擬部材、６４…ピストンリング支持部材、６６…上端　壁、６８…案内孔、７０…軸部、７２…フランジ部、７４…パッド、７６…ディスク部材、７８…ボルト、８０…横部材、８２…クランプ部材、８４…クランプハンドル、８６…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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