JPS61212707A - 運動物体の角度変位測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は物体の挙動を計測する装置に関し、運動する物
体の運動方向と直交する軸を中心とした角度変位を測定
する装置に関するもので、例えば内燃機関のピストンの
傾きを測定する為に用いる。

（従来の技術） 案内部材により、案内されて運動する物体、例えばシリ
ンダ壁により案内されて高速で上下動する内燃機関のピ
ストン等は、案内面に対して常に適正な姿勢を保って移
動せしめられないと過度の摺動抵抗を生じて摩耗や騒音
の原因となる。

そこで、運動物体の姿勢変化、すなわち該物体の主とし
て移動する方向と異なる軸回りの角度変位を検知して、
移動送り機構の改良あるいは案内面の精度向上をはかる
必要がある。

上記角度変位を精密に測定する装置として、レーザ光の
ドツプラ効果を利用するものが知られているが、この装
置では運動物体の速度が大きくなるとドツプラ周波数が
極めて高くなるために、測定可能な物体速度に限度（約
０．３ｍ／ｓ以下）がある。

内燃機関のピストン速度は１０ｍ／ｓ以上にも達し、か
くの如き高速で運動する物体の角度変位を精密に測定す
る装置が要望されていた。

（発明が解決しようとする問題点） 上記物体が主として移動する方向、例えば上下方向とは
異なる方向での角度変位を計測する場合に、複数の方向
における角度変位を精度よく測定することが必要な場合
がある。例えば、運動物体の動きを互いに直交するＸ軸
、ｙ軸、Ｚ軸で構成される３次元直交座標系で表わすと
する。ここで運動する物体が主として移動する方向を２
軸方向とすると、この運動物体がＸ軸方向およびｙ軸方
向についてそれぞれの程度の角度変位を有するかが必要
となる場合がある。

本発明は、上記の如くある方向における角度変位を精密
に測定することを解決するためになされたものである。

（問題点を解決するための手段） それぞれ本発明では、例えば第１図に示す如く、主とし
てｙ軸方向に往復運動する運動物体Ｐに形成された光反
射面ｌに向けて光を送出する送光部材２と、 前記光反射面ｌにより反射された光を入射せしめて入射
点の位置を出力する入射位置検出部材３と、 前記送光部材２および前記入射位置検出部材３を保持す
ると共に、前記反射面１に対面し、かつ例えば矢印Ｒに
示す如く、前記反射面ｌに対して平行に回動自在に設け
られる保持部材８と、前記運動物体Ｐの移動位置を検出
する移動位置検出部材４と、 前記入射位置検出部材３および移動位置検出部材４から
の信号を受け、前記運動体Ｐの各移動位置における前記
入射点の位置変化により各移動位置における前記運動Ｐ
の角度変位を演算する変位検出手段５とを具備するとい
う技術手段を採用する。

（作　用） 送出部材２より発せられた光線は、運動物体Ｐに固着し
である反射鏡１で反射して入射位置検出部材３に入射す
る。運動物体Ｐが、Ｘ軸およびｙ軸を中心として回転す
ると、入射位置検出部材３に入射する光線の光軸が変化
して入射位置検出部材３上での入射点３ａの位置が変化
する。運動物体Ｐの２軸上の運動が既知であれば、移動
位置検出部材４によって反射鏡１と入射位置検出部材３
との距離が既知となるため、入射位置検出部材３の出力
信号から運動物体Ｐ、のＸ軸およびｙ軸を中心とした微
小変位角を変位検出手段５で求める事ができる。

ここで、Ｘ軸を中心とした角度変位を測定する場合には
、送光部材２の送光点２ａ、反射鏡１の反射点１ａ、入
射位置検出部材３の入射点３ａの３点で形成される平面
が、Ｘ軸方向と平行となるように、保持部材８を矢印８
に示す如く回動させて測定を行なう、この場合上記３点
からなる平面とＸ軸とが重なるように位置決めを行なう
ことが好ましい。この場合は、ｙ軸方向の変位がほぼ無
視される。

また、ｙ軸を中心とした角度変位を測定する場合には、
上記と同様にして、送光点２ａ、反射点ｌａ’ｓ入射点
３ａから構成される平面が、ｙ軸方向と平行となるよう
に、保持部材８を回動させて測定を行なう。この場合は
、Ｘ軸方向の変位がほぼ無視される。なお、測定方向は
、上記Ｘ軸方向、ｙ軸方向に限らず、任意の方向で測定
できることは言うまでもない。

（発明の効果） 従って、本発明によれば高速で運動する物体のある方向
における変位角の測定を行なう場合、他の方向での変位
の影響を非常に小さくすることができ、微少な角度の変
位を精密に測定することができる。

（実施例） 第２図において、シリンダ壁Ｗに案内されて上下動する
ピストンＰの上面中心は、反射鏡ｌが設けである。反射
鏡１はガラス板にアルミニウムを蒸着して成る。シリン
ダヘッドＨの上記ピストンＰ上面に対向する部分には、
抜き穴Ｈ１を設け、該抜き穴Ｈ１には透光せい石英ガラ
ス板６が嵌着しである。ガラス板６の上方には隣接せし
めて投光器２および入射位置検出器３が配してあり、保
持部材であるステージ８に組付けられている。このステ
ージ８はシリンダヘッドＨ上に設けたカバー板Ｃの頂部
に回動自在に取付けられている。

投光器２は、半導体レーザ、発光ダイオード等の光源２
１とこれより発した光を集束せしめる光学レンズ２２と
を有する。入射位置検出器３は入射する光の二次元入射
点座標に応じた座標信号を発するもので、ホジション、
センシティブ・ディテクタ（例えば浜松ホトニクス（株
）製５１３００）等が使用できる。

上記検出器３の出力はリード線３１を介して演算部５に
入力する０回路のクランクシャフトにはピストンＰの移
動位置を検出すべく回転角センサ４が設けてあり、該セ
ンサ４の角度信号はリード線４１により上記演算部５に
送られる。

なお、入射位置検出器３の下面には燃焼光等の外乱光を
カットするフィルタ７が設けである。

第３図には演算部５の構成を示す、演算部５は、増幅器
５１．サンプルホールド回路５２、Ａ／Ｄ変換回路５３
、ランダムアクセスメモリ５４、リードオンメモリ５５
、マイクロコンピュータ５６およびタイミング回路５７
より構成されている。

入射位置検出器３の座標信号３ａは増幅器５１に入力さ
れ、回転角センサ４の角度信号４ａはタイミング回路５
７へ入力している。

増幅器５１の回路図を第４図に示す０図中５１１．５１
２．５１３．５１４は抵抗とオペアンプで構成した電流
電圧変換回路であり、５１５．５１６は抵抗とオペアン
プで構成した減算回路である。かかる増幅器５１により
、座標信号３ａを構成する各信号３１　ａ、　３　ｌ　
ｂ、　３１　ｃ、　３１　ｄは電圧信号に変換されて次
段のサンプルホールド回路に出力される。

タイミング回路５７の回路図を第５図に示す。

図中５７１．５７２はダウンカウンタ、５７３．５７４
はデータラッチである。データラッチ５７３．５７４は
、コンピュータ５６より出力されるタイミングデータＴ
を保持する。該データＴは座標信号３ａをコンピュータ
５６内へ取り込むタイミングを決定するものである。す
なわち、データラッチ５７３．５７４に保持されたタイ
ミングデータＴは、角度信号４ａ中の基準パルスがダウ
ンカウンタ５７１．５７２のＡＰＲ端子に入力した時に
これらにセットされ、この後、角度信号４ａ中の角度パ
ルスがＣＫ端子に入力する毎に上記データＴをカウント
ダウンする。そして、カウントダウン終了時にＣＯ端子
よりサンプルホールド開始信号５７ａを発する。

上記開始信号５７ａを入力したサンプルホールド回路５
２は、座標信号３ａ中の各信号３１ａ〜３１ｄを順次サ
ンプルして後段のＡ／Ｄ変換回路５３に送出する。Ａ／
Ｄ変換された各信号３１．　ａ〜３１ｄはデータバス５
８を経てコンピュータ５６に読み込まれる。コンピュー
タ５６は上記各信号３１ａ〜３１ｄに基づき、公知の手
順によって検出器３の入射光の入射点を算出する。

次に上記構成を有する本実施例の作用について説明する
。

第２図において、光源２１より発した光は、レンズ２ａ
およびガラス板６を通過してピストンＰの上面に設けた
反射鏡ｌに至り、反射鏡ｌにて反射せしめられて入射位
置検出器３に入射する。これを第１図で説明すると、投
光器２の送光点２ａより発した光は反射鏡１の反射点１
ａで反射して検出器３の３ａ点に入射している。ピスト
ンＰは主としてｚ軸方向に往復運動し、移動過程で、上
記２軸に直交するＸ軸あるいはｙ軸回りに角度が変化す
る。この角度変化に伴って、検出器３上の光入射点３ａ
は移動するから、上記入射点３ａの座標変化を知れば、
ピストンＰの角度変化が知られるのである。

ところで、本実施例の如く、投光器２がピストンＰの移
動方向に対して角度を有して設置しである場合には、ピ
ストンＰの角度変化がない場合にも、ピストンＰの移動
に伴って入射点Ｒの位置は変化する。従って、ここで、
Ｘ軸あるいはｙ軸回りの角度変位を測定する場合、測定
誤差の影響を小さくするために、それぞれ独立に測定す
ることが望ましい。具体的には、クランク軸の配設方向
（ピストンピンの配設方向）あるいはその直角方向（コ
ネクティングロッドの回転方向）に対して、シリンダ内
の各位置、すなわち各クランク角ψにおける角度変位が
どの程度かを正確に知りたい場合がある。

そこで本実施例では、クランク軸の配役方向をＸ軸方向
とし、コネクティングロッドの回転方向とｙ軸方向に定
め、Ｘ軸およびｙ軸のそれぞれの方向におけるピストン
Ｐの角度変位を測定する。

まず、Ｘ軸方向におけるピストンＰの角度変位測定につ
いて述べる。

最初に、送光点２ａ、反射点１ａ、入射点３ａによって
形成される平面がＸ軸とほぼ平行とな、るように、ステ
ージ８を回動させて、位置決めを行なう。具体的には、
例えば、カバー板Ｃの頂部、およびステージ８に目盛を
設け、この目盛を基準にしてステージ８を回動する。

次にピストンの傾きが無い状態でクランク軸ψに対する
位置検出部材４上の光点位置Ｘ、（ψ）を求める。第６
図はこのＸ、（ψ）を三菱社製Ｇ７エンジンにて求めた
例である。

また、ピストンＰの傾き角θ８に対する位置検出部材３
上の光点位置の変化量ΔＸは、ピストンＰの傾きθχが
微小であればこれに比例するので、位置検出部材３上の
光点位置に対するピストンの傾きの比例係数を求める。

この比例係数もクランク角ψによって変化するので、ク
ランク角ψに対する比例係数に！　　（ψ）を求める。

三菱社製Ｇ７エンジンにて比例係数ＫＸ　　（ψ）を求
めた例を第７図に示す。

以上の光点位置Ｘｏ　　（ψ）および比例係数Ｋ（ψ）
のデータはあらかじめＲＯＭ５５に記憶しておく。

計測タイミングにおける位置検出部材３上の光点位置を
Ｘ（ψ）とすると、その時のピストンＰの傾き角θＸ　
（ψ）は次式で表わせる。

θＸ　（ψ）＝ＫＸ（ψ）・　（Ｘ　（ψ）−ＸＯ（ψ
）・・・・・・（式１） ＣＰＵ５６はこの演算をＲＯＭ５５に記憶しであるプロ
グラムおよびデータを用いて実行し、ピストンＰの傾き
角θ８を求めることができる。

次に、ｙ軸方向におけるピストンＰの角度変位測定につ
いて述べる。

まず、上記と同様に、送光点２ａ、反射点１ａ、入射点
３ａによって形成される平面がｙ軸とほぼ平行となるよ
うにステージ８を回動させて位置決めを行なう。

次に、上記と同様にして、クランク角（ψ）に対する入
射点３ａの変化ｙ、（ψ）および比例係数ＫＶ　（ψ）
を求める。

従って、Ｙ軸まわりの傾き角θヶは次式となる。

θヶ　（ψ）−Ｋｙ（ψ）、（Ｙ　（ψ）−Ｙｏ（ψ）
）・・・・・・（式２） よって、（式１）の場合と同様にしてＹ軸まわりのピス
トンＰの傾き角θ、を求めることができる。

上記測定は、Ｘ軸およびＹ軸の２方向におけるピストン
Ｐの傾き角を測定しているが、本発明はこれに限らず、
Ｚ軸と直交する平面内の任意の方向におけるピストンＰ
の傾き角を測定が可能である。

また、本発明は、上述のような、往復運動をする運動物
体に限らず、例えば、ある平面上を回転運動する物体の
角度変位測定についても適用可能である。

また、本実施例では、運物体に反射鏡１を設けているが
、運動物体の反射面となるべき箇所を鏡面上に処理する
方法でもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の概要を示す模式図、第２図は本発明を
内燃機関のピストンの傾きに応用した実施例、第３図は
第２図図示の変位検出手段５の構成図、第４図は第３図
図示の増幅器５１の構成を示す電気回路図、第５図は第
３図図示のタイミング回路５７の構成例を示す電気回路
図、第６図は第２図図示例のピストン２が傾かない時の
クランク角ψと基準入射点位置Ｘ０　（ψ）を関係を示
す特性図、第７図は第６図図示の光点位置Ｘ（ψ）と傾
き角θとの換算係数ＫＸ　（ψ）をクランク角ψに対し
て求めた計測図である。 １・・・反射鏡、２・・・送光部材、３・・・入射位置
検出部材、４・・・移動位置検出部材、５・・・変位検
出手段、Ｐ・・・ピストン、８・・・保持部材。 代理人弁理士　　岡　部　　　隆 第２図 クランク扁　９　　（ＯＣＡ） 第７図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 運動物体に形成された光反射面に向けて光を送出する送
   光部材と、 前記光反射面により反射された光を入射せしめる入射点
   の位置を出力する入射位置検出部材と、前記送光部材お
   よび前記入射位置検出部材を保持すると共に、前記反射
   面に対面し、かつ前記反射面に対して平行に回動自在に
   設けられる保持部材と、 前記運動物体の移動位置を検出する移動位置検出部材と
   、 前記入射位置検出部材および移動位置検出部材からの信
   号を受け、前記運動体の各移動位置における前記入射点
   の位置変化により各移動位置における前記運動体の角度
   変位を演算する変位検出手段とを具備することを特徴と
   する運動物体の角度変位測定装置。