JP5781902B2 - 信号レベル測定回路およびそれを備えた変位計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、信号レベル測定回路およびそれを備えた変位計測装置に関する。

従来、この種の回路としては、リセット機能を有するピークホールド回路が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１記載のピークホールド回路は、入力信号レベルと出力信号レベルとを比較するオペアンプで構成された比較器と、比較器の出力信号を半波整流するダイオードと、ダイオードの出力電流が供給されるコンデンサと、コンデンサに並列に接続された定電流源と、を備えている。

この構成により、特許文献１記載のものは、入力信号レベルが出力信号レベルよりも高いときには、ダイオードを介してコンデンサに充電電流Ｉ１を供給するとともに、常時、定電流源が定電流Ｉ２（Ｉ１＞Ｉ２）でコンデンサを放電することにより、入力信号のピークレベルを保持することができるようになっている。

特開平１１−０９６７８７号公報

しかしながら、上述のような特許文献１記載のものは、オペアンプやダイオードといった比較的温度変化に対して影響を受けやすいアナログ素子により構成されているので、環境温度によって測定値が変動しやすいという問題があった。例えば、特許文献１記載のものを、車両のエンジンのピストンスカートとシリンダボアとの間のクリアランスの計測に用いる場合は、計測時の環境温度によって計測データに誤差が生じるという問題があった。

本発明は、上述のような従来の問題を解決するためになされたもので、温度特性を改善することができる信号レベル測定回路およびそれを備えた変位計測装置を提供することを目的とする。

本発明に係る信号レベル測定回路は、上記目的達成のため、（１）車両のエンジンのピストンスカートに取り付けられシリンダボアとの間のギャップ長に応じた被測定信号を出力するギャップセンサに接続され、アナログ素子を用いずに前記被測定信号の信号レベルを測定する信号レベル測定回路であって、正弦波信号を発生して前記ギャップセンサに出力する正弦波信号発生手段と、前記被測定信号を入力する被測定信号入力手段と、前記被測定信号の振幅が安定したことを前記正弦波信号の波数を計数することにより検出してトリガ信号を出力するトリガ信号出力手段と、前記トリガ信号を入力してから前記被測定信号の１周期期間内に予め定められた測定点の信号を前記被測定信号入力手段が入力するまでの所定期間が経過した時刻に前記測定点の信号レベルを測定する信号レベル測定手段と、を備える。

この構成により、本発明に係る信号レベル測定回路は、被測定信号の振幅が安定した後に、被測定信号の１周期期間内に予め定められた測定点の信号を被測定信号入力手段が入力するまでの所定期間が経過したときに測定点の信号レベルを測定する。したがって、本発明に係る信号レベル測定回路は、比較的温度変化に対して影響を受けやすいアナログ素子を用いずに測定点の信号レベルを測定することができるので、温度特性を改善することができる。

本発明に係る変位計測装置は、上記目的達成のため、（２）信号レベル測定回路と、車両のエンジンのピストンスカートに取り付けられ、前記正弦波信号発生手段が発生した前記正弦波信号を入力し、シリンダボアとの間のギャップ長に応じた被測定信号を出力するギャップセンサと、前記ギャップ長と前記振幅との関係を示すギャップ長振幅特性テーブルと、前記ギャップ長振幅特性テーブルに基づいて、前記信号レベル測定手段が測定した前記信号レベルを前記ギャップ長に換算して前記導電体の変位を計測する変位計測手段と、を備える。

この構成により、本発明に係る変位計測装置は、比較的温度変化に対して影響を受けやすいアナログ素子を用いずに測定点の信号レベルを測定する信号レベル測定回路に接続されたギャップセンサにより導電体の変位を計測するので、温度特性を改善することができる。

本発明によれば、温度特性を改善することができる信号レベル測定回路およびそれを備えた変位計測装置を提供することができる。

本発明の実施の形態における変位計測装置のブロック構成図である。 本発明の実施の形態における変位計測装置の信号処理の説明図である。 本発明の実施の形態における変位計測装置の動作を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態における信号レベル測定回路の試作品の温度特性確認装置および試作確認結果を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

まず、本発明の実施の形態における変位計測装置の構成について、図１に示すブロック構成図を参照して説明する。

図１に示すように、本発明の実施の形態における変位計測装置１０は、導電体のターゲット３０の変位を計測するものであって、ドライバアンプ１１、コンデンサ１２、ギャップセンサ１３、ギャップ長振幅特性テーブル１４、信号レベル測定回路２０を備えている。

信号レベル測定回路２０は、例えば、マイクロコンピュータによって構成され、正弦波発生回路２１、カウンタ２２、ＡＤコンバータ２３、ＣＰＵ２４を備えている。

ドライバアンプ１１は、入力した正弦波信号を電流増幅してコンデンサ１２に出力するようになっている。

コンデンサ１２は、ドライバアンプ１１の出力信号の直流分を遮断する機能を有する。また、コンデンサ１２は、ギャップセンサ１３が有するコイルと特定の周波数で共振するよう設計されている。

ギャップセンサ１３は、渦電流式変位センサであり、高周波磁界を発生させるコイルを備えている。ギャップセンサ１３のコイルにターゲット３０が近づくほどターゲット３０に発生する渦電流が大きくなり、その渦電流によって生じる上記高周波磁界とは逆向きの磁界によりギャップセンサ１３のコイルの磁界が弱くなるため、ギャップセンサ１３の出力信号の振幅を測定することにより、ターゲット３０の表面３０ａとのギャップ長Ｇを計測することができる。

このギャップセンサ１３は、例えば、車両のエンジンのピストンスカートに取り付けられ、シリンダボアとのギャップ長Ｇを計測するために用いられる。この場合、取得されたギャップ長Ｇのデータは、ピストン周りの異音やピストンの変形の解析等に供される。

ギャップ長振幅特性テーブル１４は、ギャップ長Ｇと、ギャップセンサ１３の出力信号の振幅との関係を示すデータを含む。このギャップ長振幅特性テーブル１４のデータは、予め実験により求められたものであり、例えば、図示を省略したがマイクロコンピュータのＲＯＭ内に記憶されている。

正弦波発生回路２１は、所定の周波数および振幅を有する正弦波信号を発生し、発生した正弦波信号をドライバアンプ１１およびカウンタ２２に出力するようになっている。この正弦波発生回路２１は、本発明に係る正弦波信号発生手段を構成する。

カウンタ２２は、正弦波発生回路２１が発生する正弦波信号の波数を計数するようになっている。また、カウンタ２２は、ギャップセンサ１３の出力信号の振幅が安定するのに要する期間（以下「待機期間」という。）、例えば、ＡＤコンバータ２３がギャップセンサ１３の出力信号の入力を開始してからギャップセンサ１３の出力信号の振幅が安定するまでの待機期間が経過したことを正弦波信号の波数を計数することにより検出し、その検出時にトリガ信号をＣＰＵ２４に出力するようになっている。このカウンタ２２は、本発明に係るトリガ信号出力手段を構成する。

ＡＤコンバータ２３は、ギャップセンサ１３の出力信号であるアナログ信号をデジタル信号に変換し、変換したデジタルデータをＣＰＵ２４に出力するようになっている。このＡＤコンバータ２３は、本発明に係る被測定信号入力手段を構成する。

ＣＰＵ２４は、カウンタ２２からトリガ信号を入力した後、予め定められた遅延時間Δｔの経過後に、ＡＤコンバータ２３からデータを読み出すためのリード信号をＡＤコンバータ２３に出力するようになっている。このリード信号を受信したＡＤコンバータ２３は、リード信号の受信時における入力データをデジタルデータに変換してＣＰＵ２４に出力し、ＣＰＵ２４は、ギャップ長振幅特性テーブル１４を参照し、受信したデジタルデータからギャップ長Ｇを求めるようになっている。このＣＰＵ２４は、本発明に係る信号レベル測定手段および変位計測手段を構成する。

なお、遅延時間Δｔを発生する手段として、例えば、マルチバイブレータを用いる構成としてもよい。

次に、本発明の実施の形態における変位計測装置１０の動作について、図１、図２および図３を参照して説明する。

図２において、図２（ａ）は正弦波発生回路２１の出力波形、図２（ｂ）はカウンタ２２の生成波形、図２（ｃ）はＣＰＵ２４の処理タイミング図、図２（ｄ）はＡＤコンバータ（ＡＤＣ）２３の入力波形の一例を示している。図３は、変位計測装置１０の動作を示すフローチャートである。以下、変位計測装置１０が、図２（ｄ）に示した測定点Ａの電圧に相当するギャップ長Ｇを計測する動作について説明する。測定点Ａは、ギャップセンサ１３の出力電圧の最大値を示す点である。

正弦波発生回路２１は、所定の周波数および振幅値の正弦波信号を発生し、ドライバアンプ１１およびカウンタ２２に出力する（ステップＳ１１）。本実施の形態では、正弦波発生回路２１が発生する正弦波信号は、図２（ａ）に示すように、周波数が５０ｋＨｚ、振幅値が２Ｖｐｐとする。また、正弦波発生回路２１が正弦波信号を出力開始した時刻をｔ０とする（図２（ｃ）参照）。

カウンタ２２は、入力した正弦波信号の波数を計数し（ステップＳ１２）、待機期間を経過したか否かを判断する（ステップＳ１３）。この処理を図２を参照して具体的に説明する。

図２（ｂ）に示すように、カウンタ２２は、パルス信号Ｄ０〜Ｄ２を生成する。このパルス信号Ｄ０〜Ｄ２は、待機期間を６０μｓｅｃ（図２（ｄ）参照）とした場合を想定して設定されたものである。この待機期間は、例えば、実験により予め求めた時間である。なお、カウンタ２２が生成するパルス信号Ｄ０〜Ｄ２は、図示のものに限定されず、待機期間に応じて種々の構成が可能である。

まず、カウンタ２２は、図２（ａ）に示すように、正弦波発生回路２１が発生した正弦波信号と、予め定められた閾値電圧Ｅｓとに基づいてパルス信号Ｄ０を生成する。ここで、閾値電圧Ｅｓ＝１Ｖとする。詳細には、パルス信号Ｄ０は、正弦波信号の増加方向で閾値と交差する時刻で立ち上がり、この時刻から正弦波信号の１周期後の時刻で立ち下がるパルス信号である。

また、カウンタ２２は、パルス信号Ｄ１を生成する。このパルス信号Ｄ１は、パルス信号Ｄ０が立ち下がる時刻で立ち上がり、パルス信号Ｄ０の次の立ち下がり時刻で立ち下がるパルス信号である。図示の例では、パルス信号Ｄ１が立ち下がる時刻は、正弦波信号の１周期分を波数１個として計数すると３．５個分（７０μｓｅｃ）に相当している。なお、パルス信号Ｄ１は、カウンタ２２が後述するリセット信号を入力した時刻でも立ち下がる。

さらに、カウンタ２２は、パルス信号Ｄ２を生成する。このパルス信号Ｄ２は、パルス信号Ｄ１が立ち下がる時刻で立ち上がり、後述のリセット信号を入力した時刻で立ち下がるパルス信号である。

図２に示した例では、カウンタ２２は、正弦波信号の波数を計数し、計数値が待機期間を超えなければ（ステップＳ１３で「Ｎｏ」）ステップＳ１３を繰り返し、計数値が待機期間を超えれば（ステップＳ１３で「Ｙｅｓ」）超えた時刻、すなわち、パルス信号Ｄ２が立ち上がる時刻ｔ１においてトリガ信号をＣＰＵ２４に出力する（ステップＳ１４）。

ＣＰＵ２４は、トリガ信号を入力した時刻ｔ１から遅延時間Δｔだけ待機する（ステップＳ１５）。ここで、遅延時間Δｔは、測定点Ａを測定するために予め定められた時間であり、５μｓｅｃである。

続いて、ＣＰＵ２４は、時刻ｔ１から遅延時間Δｔ経過した時刻ｔ２において、ＡＤコンバータ２３からデータを読み出すためのリード信号をＡＤコンバータ２３に出力する（ステップＳ１６）。

ＡＤコンバータ２３は、リード信号を受信した時刻の、アナログの入力電圧をデジタル値に変換してＣＰＵ２４に出力し、ＣＰＵ２４はそのデジタル値のデータを取得する（ステップＳ１７）。

次に、ＣＰＵ２４は、ギャップ長振幅特性テーブル１４を参照し、取得したデジタル値のデータをギャップ長Ｇのデータに換算する処理を行って（ステップＳ１８）、ギャップ長Ｇのデータを取得する（ステップＳ１９）。

そして、ＣＰＵ２４は、上記データ処理が終了した時刻ｔ３においてリセット信号をカウンタ２２に出力する（ステップＳ２０）。その結果、リセット信号を受信したカウンタ２２では、パルス信号Ｄ１およびＤ２がローレベルとなる。

なお、上述の動作説明では、ギャップセンサ１３の出力電圧が最大になる測定点Ａの測定についての例を挙げた。この場合、信号レベル測定回路２０は、被測定信号の最大値のピールレベルを保持するピークホールド検出回路として機能することになる。

他方、信号レベル測定回路２０において、遅延時間Δｔを所定値に設定することにより、正弦波信号の１周期期間内に任意に定めた測定点を計測することも可能である。例えば、ギャップセンサ１３の出力電圧が最小になる測定点Ｂ（図２（ｄ）参照）を測定する場合、遅延時間Δｔを１５μｓｅｃとすればよい。この場合、信号レベル測定回路２０は、被測定信号の最小値のピールレベルを保持するピークホールド検出回路として機能することになる。その他、信号レベル測定回路２０は、測定点ＡとＢとの間の任意の測定点等についても測定可能である。

次に、試作品の温度特性確認結果について図４を参照して説明する。

図４（ａ）に示すように、恒温槽５０を用意し、恒温槽５０の内部に信号レベル測定回路２０および従来回路４０を設置した。ここで、信号レベル測定回路２０は、図１に示した構成から正弦波発生回路２１を取り除いたもので、この正弦波発生回路２１は恒温槽５０の外部に設置した。また、従来回路４０は、従来のピークホールド回路と、このピークホールド回路のアナログ出力値をデジタル値に変換するＡＤコンバータ２３とを組み合わせたものである。

上述の構成において、正弦波発生回路２１に周波数が５０ｋＨｚ、振幅が２Ｖｐｐの正弦波信号を発生させて信号レベル測定回路２０および従来回路４０に入力し、所定温度における各回路のＡＤコンバータ２３のデジタル出力値を求めた。

その結果を図４（ｂ）に示す。図４（ｂ）において、横軸は環境温度（℃）、縦軸は室温（２７℃）を基準とした変化量（digit：ディジット）を表している。なお、評価に用いたＡＤコンバータ２３の仕様温度上限は７５℃であるため、７５℃を超えた測定結果は参考値とする。

図４（ｂ）に示すように、本実施の形態における信号レベル測定回路２０は、従来回路４０と比べて大幅に温度特性を改善することができた。具体的には、例えば、環境温度７５℃において、従来回路４０では変化量が約１６０ディジットであるのに対し、信号レベル測定回路２０での変化量は約１０ディジットである。また、参考値ではあるが、環境温度１００℃において、従来回路４０では変化量が約４３０ディジットであるのに対し、信号レベル測定回路２０での変化量は約２１５ディジットである。この結果は、本実施の形態における変位計測装置１０が、従来のものよりも、大幅に温度特性を改善してギャップ長Ｇを計測することができることを示している。

以上のように、本実施の形態における信号レベル測定回路２０は、ＣＰＵ２４が、トリガ信号を入力してから被測定信号の１周期期間内に予め定められた測定点Ａの信号をＡＤコンバータ２３が入力するまでの遅延時間Δｔが経過したときに測定点Ａの信号レベルを測定する。

したがって、本発明に係る信号レベル測定回路２０は、比較的温度変化に対して影響を受けやすいアナログ素子を用いずに測定点の信号レベルを測定することができるので、温度特性を改善することができる。

また、本実施の形態における変位計測装置１０は、比較的温度変化に対して影響を受けやすいアナログ素子を用いずに測定点の信号レベルを測定することができる信号レベル測定回路２０に接続されたギャップセンサ１３によりターゲット３０の変位を計測するので、温度特性を改善することができる。

なお、上述の実施形態では、１つのマイクロコンピュータによって信号レベル測定回路２０を構成したので、正弦波発生回路２１、カウンタ２２、ＡＤコンバータ２３、ＣＰＵ２４の温度特性を揃えることができて好ましいが、本発明はこれに限定されない。

また、上述の実施形態において、信号レベル測定回路２０が正弦波発生回路２１を含む構成としたが、変位計測装置１０が正弦波発生回路２１を含む構成としてもよい。

以上説明したように、本発明に係る信号レベル測定回路およびそれを備えた変位計測装置は、温度特性を改善することができるという効果を有し、車両のエンジンのピストン周りの異音やピストンの変形の解析等に用いられる信号レベル測定回路およびそれを備えた変位計測装置等として有用である。

１０ 変位計測装置
１１ ドライバアンプ
１２ コンデンサ
１３ ギャップセンサ
１４ ギャップ長振幅特性テーブル
２０ 信号レベル測定回路
２１ 正弦波発生回路（正弦波信号発生手段）
２２ カウンタ（トリガ信号出力手段）
２３ ＡＤコンバータ（被測定信号入力手段）
２４ ＣＰＵ（信号レベル測定手段、変位計測手段）
３０ ターゲット（導電体）
３０ａ ターゲットの表面
４０ 従来回路
５０ 恒温槽

Claims (2)

1. 車両のエンジンのピストンスカートに取り付けられシリンダボアとの間のギャップ長に応じた被測定信号を出力するギャップセンサに接続され、アナログ素子を用いずに前記被測定信号の信号レベルを測定する信号レベル測定回路であって、
   正弦波信号を発生して前記ギャップセンサに出力する正弦波信号発生手段と、
   前記被測定信号を入力する被測定信号入力手段と、
   前記被測定信号の振幅が安定したことを前記正弦波信号の波数を計数することにより検出してトリガ信号を出力するトリガ信号出力手段と、
   前記トリガ信号を入力してから前記被測定信号の１周期期間内に予め定められた測定点の信号を前記被測定信号入力手段が入力するまでの所定期間が経過した時刻に前記測定点の信号レベルを測定する信号レベル測定手段と、
   を備えたことを特徴とする信号レベル測定回路。
2. 請求項１に記載の信号レベル測定回路と、
   車両のエンジンのピストンスカートに取り付けられ、前記正弦波信号発生手段が発生した前記正弦波信号を入力し、シリンダボアとの間のギャップ長に応じた被測定信号を出力するギャップセンサと、
   前記ギャップ長と前記振幅との関係を示すギャップ長振幅特性テーブルと、
   前記ギャップ長振幅特性テーブルに基づいて、前記信号レベル測定手段が測定した前記信号レベルを前記ギャップ長に換算して前記導電体の変位を計測する変位計測手段と、
   を備えたことを特徴とする変位計測装置。

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