JPH02503232A - 距離測定システム - 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】 距離測定システム 本発明は、取り囲まれた空間内を移動する電導性部材の基準位置からの距離の測 定、特に内燃機関のピストンの上死点の測定のための電気評価回路を有する距離 測定システムであって、容量センサが前記空間の壁に保持された保持手段に固定 可能であるとともに前記評価回路に持続されているものに関する。

よく知られたこの種の測定システムでは、電極が内燃機関の燃焼室に絶縁されて 配設され、ピストンないしはシリンダブロックが第２の電極を構成する。ピスト ンの電極からの距離に応じてこのシステムの容量が変化する。

従来では、容量変化の評価は、この変化が基本周波数を変調させるというやり方 でおこなっており、このため比較的複雑な評価回路が必要であった。この測定原 理のため従来のシステムは容量の小さな変化に対してはあまり感度がよくな（、 その上Ｓ／Ｎ比もよくなかった。さらには、この場合かなり大きなセンサが用い られており、このため電極を差し込むために相応な測定孔を設ける必要もあった 。

本発明の課題は、従来技術の欠点を解消し、一般の内燃機関に簡単に用いること ができるとともに高い感度を有する産業上の利用分野のところで述べた形式の測 定システムを提供することである。

上記課題は、本発明によれば、評価回路は出力がポテンシャルに応答するスイッ チング手段を介して発振器と通電している測定ブリッジを備えており、このブリ ッジが少な（とも２つのコンデンサを有し、センサのセンサヘッドと移動部材、 特に内燃機関のピストンロンドとが前記両コンデンサの１つを形成し、かつ前記 測定ブリッジで取り出された交差電圧が送られてくる差動増幅器が備えられてお り、かつ差動増幅器の出力がポテンシャル応答スイッチング手段の出力側ポテン シャルを制御することによって解決される０本発明による評価回路を備えた測定 システムは、測定システムの感度の向上、特に容量の速くて小さな変化の評価に 関して著しい向上を示している。感度を損なうことなしに、小型の薄いセンサを 利用することができ、検出器や噴射ノズル、そして点火プラグまたは加熱プラグ のために設けられている孔に差し込むことが可能となる。

本発明による評価回路では、出力がポテンシャルに依容量ブリッジが発信器から 方形状パルスが送られる。容量が変化するとその容量の該当する直列回路で電圧 分布状態が変化する。このことからブリッジ交差電圧の変化が生じる。これが差 動増幅器を介して出力電圧の変化とポテンシャルの変位となり、送られるパルス がスイッチング手段を介して新しい容量状態に適応する。そこで、ブリッジ辺の 最小の不平衡がブリッジのコンデンサの放電とつながっている充電の伝達におい て比較的大きな変化をもたらす、このことによって評価回路が高い感度をもつ、 この場合評価回路がブリッジのコンデンサを適切に決定することで、これが急速 に充電されその結果発信器の信号をかなり高い周波数にして動作させることがで き、センサに最大級の変動が生じた時点を正確に検出することができる。このこ とは、例えば内燃機関におけるピストンの上死点の決定に関し、大変重要なこと である。

本発明による評価回路のさらに別な特徴はその大変簡単な構造にある０例えば、 ポテンシャル応答スイッチング手段をダイオードによって構成し、これらのダイ オードを測定ブリッジの各２つのコンデンサを備えた両ブリッジ辺に直列接続す ることができる。この測定システムに汎用性をもたせるために、本発明によれば 、測定システムの静状態容量の平衡化のために前記測定ブリッジのブリッジ辺に 可変容量コンデンサを備えることができる。

従来の測定システムでは電極つまりセンサの調整は、可動部材例えばピストンと 接触しないようにして行われており、測定感度のために重要である正確に定めら れた極小距離の調整が極めて困難であった。この問題は、本発明によるひとつの 構成、つまりセンサを貫通させている保持手段が前記空間の壁に固定可能な締結 部材を備えており、この締結部材の端面がセンサに固定可能な距離部材の当り部 として形成されており、この端面またはこれに接当する距離部材の面が実質的に 螺旋状に延びた面の少なくとも部分を備えており、その螺旋軸はセンサの長手軸 に一致するものによって解決される。

この構成により、センサを、例えば測定値検出器、噴射ノズル、点火／加熱プラ グのために設けられた孔に簡単な方法で、センサが上死点の近くにきて内燃機関 のピストンとは接触しない位置に固定することができる０本発明による測定シス テムのセンサはピストンが上死点にある時これに接当するまで案内され、距離部 材を締結部材に当てかい距離部材をセンサに固定し、その後距離部材とともにセ ンサを回転させることにより上死点からのセンサの距離を所望の値に調整する。

さらに、本発明の実施態様のひとつに、締結部材及び好ましくは距離部材もそれ ぞれセンサを包囲しているチャック部材とこのチャック部材と共働する締結ナツ トを備えているものがあり、この構成により簡単な方法でセンサと距離部材つま り締結部材との間の相応な固定を行うことができる。

センサを簡単な方法で再現性よく調整することに関して、さらに、センサの軸に 垂直で互いに向き合って延びている締結部材と距離部材の面が突出した凸部とこ の凸部を受けるために周方向に分布配設されている異なった深さをもつ凹部、好 ましくは溝を備えており、凹部の高さは少なくとも最も深い凹部の深さに一致す るように構成することができる。この構成により、大変簡単な方法で所定の距離 に設定保持することができる。その上、回転させることにより進んでいく螺旋状 の面をその両部材のひとつに設けることも可能であり、この場合０から螺旋状面 の傾斜度の間の任意に設定された値にセンサを相応に回すことによって調整され る。

本発明のさらに別な実施形態によれば、締結手段はネジ部を備え、このネジ部は シリンダヘッドの点火プラグ孔または噴射ノズル孔に固定されるアダプタ内にネ ジ込まれている。これにより、センサは汎用的に用いられ、センサをそれぞれの 孔に適応させ、つまり孔とセンサの密封を確保するため、簡単に加工されたアダ プタだけが図面は本発明に係わる距離測定システムの実施例を示し、第１図は本 発明による測定システムのセンサの組み付けた状態を示す部分断面図、第１図は 保持手段を含む測定システムのセンサの断面図、第３図は保持手段の詳細を示す 斜視図、第４図と第５図は第１図のものの別実施例の一部を断面図、第６図は本 発明の測定システムのブロック回路図、第７図は本発明による測定システムの評 価回路の回路図である。

第１図〜第３図から見ることができるように、この測定システムのセンサ１は締 結部材２を貫通しており、この締結部材には内燃機関のシリンダヘッド３を貫通 している受は部材４、これは例えば測定値検出器のために備えられているが、こ の受は部材に保持されている。センサｌ自体は室５内にここでは燃焼室内に突出 しており、その燃焼室内に燃焼凹部を持ちうるピストン６を通常の方法で軸方向 に移動可能に入れている。

締結部材２は受は部４にねじ込まれるネジ部７”を設けたネジ部材７を備えてい る。ネジ部材はさらにネジ部７”の反対側にネジ部７”とチャック部材８を設け ており、センサ１は締結ナツト９によってチャック部材と固定される。受は部材 ４内にはセンサ１を外囲している中間アダプタ２２が備えられており、このアダ プタは同時に必要な密封の役割も果たす。

チャック部材８はネジ部７”とは反対側の端面に凸部１０を設けている。この凸 部１０は距離部材１１のチャック部材８に向き合う端面に径方向に延設されてい る凹部１２．１２ａ〜１２ｃと係合する。これらの凹部はそれぞれ異なった深さ を有しているとともに、その基本切断部は実質的に螺旋形に延びた面の一部分を 少なくとも備えている。

距離部材１１もチャック部材１３を備えており、これにより締結ナツト１４を用 いてセンサｌに固定される。

第２図から見ることができるように、センサ１は実質的に電導材料製の管１５か ら構成されており、その管内に絶縁体１６によって包囲された電導性の核１７が 導かれている。この核１７は管１５の端面に対して絶縁部材１９によって絶縁配 設されたセンサヘッド１８と電気的に接続されている。接続差込み２０を介して ハウジング２１内に配設されている評価回路からパルスがセンサ１の核１７に送 られる。シリンダブロック、締結部材２、そして受は部材４を介してセンサ１の 管１５と電気的に接続されているピストン６が、従って質量体ポテンシャルとな っている。このことによってセンサヘッド１８とピストン６はコンデンサの電極 として機能し、その容量はピストンのセンサヘッド１８からの隔たりにより変化 する。

ピストン６の上死点に関するセンサヘッド１８の調整は大変簡単な方法で行うこ とができる。つまり、ピストン６をまずその上死点にもっていき、チャック部材 ８を開放してセンサヘッド１８をピストンに当てるか、あるいはセンサヘッドを ピストン６が上死点に達する前にこのピストンに当てた状態でピストンを上死点 にもっていくごともできる、もちろん後者の場合でもチャック部材は開放してお く。

この状態になれば、そのチャック部材１３を開放しておいて距離部材１１をチャ ック部材８の端面に接当させ、その際その端面の凸部１０は距離部材１１のもつ とも深い凹部１２に係合させる。ここで、凸部１０の高さは距離部材１１のもっ とも深い凹部１２の深さ以上に選択されている。距離部材１１のこの位置におい て、そのチャック部材１３が締結ナツト１４を引き付けることによりセンサ１に 固定され、これで締結部材から小さな部材を引出し、距離部材１１を回した後再 びこのなかに押入られる。その際この凸部１０は距離部材１１のその深さが少し ずつ浅くなっている凹部１２ａから１２ｃのひとつに係合する。

最も深い凹部１２よりそれぞれ０．５．１．０．１．５ｍｍずつ浅くなっている 凹部１２ａから１２ｃのどれかに凸部１０を係合させることによって、センサヘ ッド１８のピストン６の上死点からの相応な間隔ａが作り出され、避けられない はめ合い公差やたわみや慣性力のためにピストンの上死点のシリンダへラド３に 対する位置関係が変動することとなる実際の駆動状態においてもセンサヘッドが ピストン６に接触しないようにすることができる。

次に、チャック部材８の締結ナツト９を締め付けることによりセンサ１の位置が 固定される。これでセンサ１のシリンダヘッド３に関する位置が確定し、ピスト ン６の上死点がセンサヘッド１８からのピストン６の隔たりに関係して変化する ピストン６とセンサヘッド１８によって形成されるコンデンサの容量を評価する ことによって算出されるが、その際このコンデンサの容量の最大値が上死点に達 したことを示すことになる。

点火プラグあるいは噴射ノズルのための孔に相応なネジ部を設けた特別に仕上げ られた締結部材２をねじ込むことや、第４・５図に図示されているように点火プ ラグないしは噴射ノズルの代わりに相応に形成されたアダプタ２５ないしは２６ を用いてこのアダプタを保持具２７によって固定することももちろん可能である 。

第６図から見ることができるように、本発明によるこの測定システムはその評価 回路に発信器３０を備えている。その発信器の出力側にはポテンシャルに応答す るスイッチング手段３１が接続され、このスイッチング手段３１に方形波信号が 送られ、ポテンシャル応答スイッチング手段３１に作用するポテンシャルは発信 器３０によって与えられる周波数を変更する。出力ポテンシャルに応答するスイ ッチング手段を介して測定ブリッジ３４のブリッジ辺３２．３３が通電されてい る。

この測定ブリッジ３４０両辺は、一方ではコンデンサＣ１と０２ないしはコンデ ンサＣ３と０４から構成されているが、岸辺３２にのみコンデンサを設けること も考えられる０両ブリッジ辺３２ないしは３４を構成するコンデンサＣ１から０ ４の接続点には差動増幅器３５の入力部が接続されている。この差動増幅器３５ の出力部はポテンシャル応答スイッチング手段３１の参照ポテンシャルを規定し ており、さらにこの差動増幅器３５の出力部のひとつはセンサヘッド１８とピス トン６によって形成されるコンデンサＣ２の容量に対応する出力信号Ａを送り出 す、この出力信号はよく知られた方法で最大化により検討されることができる。

この測定システムの使用においては、測定ブリッジ３４０両ブリッジ辺３２．３ ３はポテンシャル応答スイッチング手段３１を介して発振器３０の方形パルスを 供給される。その際、コンデンサＣ１から０４の充電およびその後の急速な放電 が行われる０例えば、センサヘッド１８とピストン６との間の距離の変化に基づ きセンサヘッド１８とピストン６により形成されるコンデンサＣ２が容量変化す ると生じる測定ブリッジの所期状態からの変態により、ブリッジ辺３２に電圧分 布の変動が起きる。このことによってブリッジ交差電圧が変化し、差動増幅器３ ５を介して出力電圧が変化し、ポテンシャルｅｌとＣ２の変動を引き起こす、こ のため、ブリッジ３４に供給されるパルスの大きさはポテンシャル応答スイッチ ング手段３１を介して新しい容量比に合わせられ、このブリッジは再び平衡状態 となる。このことにより広い範囲にわたって高い感度が確実に得られる。

内燃機関の場合動的な測定ではセンサヘッド１８からのピストンの距離は常に変 化するので、これに伴い差動増幅器の出力信号も変化し、このためセンサヘッド １８とピストン６によって形成されるコンデンサＣ２の容量が最大となるセンサ ヘッド１８とピストン６との間の距離の最大値が簡単な方法で検出することがで きる。

第７図は測定システムの評価回路の実施例を示している。この評価回路では、コ ンデンサＣ１、Ｃ２、ないしはＣ３、Ｃ４によって形成される２つのブリッジ辺 が備えられ、コンデンサＣ２はセンサヘッド１８とピストン６によって構成され 、その容量はこれらの間の距離によって変動する。

両ブリッジ辺の一端は共に固定ポテンシャルに、例えばアースされている０両ブ リッジ辺の他端はそれぞれ抵抗Ｒ６を介してポテンシャルｅ１そして抵抗Ｒ７を 介してポテンシャルｅ２がかかっており、これらのポテンシャルはネットワーク を介して評価回路の出力電圧から取り去られる。さらにブリッジ辺のこれらの端 部はダイオードＤ１とＤ２を介してここでは図示されていない発振器に接続され ており、この発振器は方形パルスからなるパルス列Ｒを送りだし、その際このダ イオードはポテンシャル応答するスイッチング手段を構成する。

各ブリッジ辺を形成するＣＩ　Ｃ２やＣ３、Ｃ４の接続点は、好ましくは集積さ れた増幅トランジスタ対Ｔ１、Ｔ２０ベースと接続されており、Ｃ４によって静 状態容量がバランスされる。

さらにこの接続点はダイオードＤ３、Ｄ４とこれらと並列に接続されている抵抗 Ｒ４、Ｒ５を介して固定ポテンシャルにおかれており、このことによりネガティ ブな電圧尖頭が避けられる。このポテンシャルには両トランジスタＴＩ、Ｔ２の 共通のエミッタ抵抗Ｒ３が接続されている。さらにトランジスタＴ１、Ｔ２つま り差動増幅器３５の入力が抵抗Ｒ１、Ｒ２に接続されており、これらの抵抗には 固定の正のポテンシャルが共通にかけられている。

この回路は２つの動作状態をもっている：第１の状態は、以後これを基本状態と 称するが、パルス入力が”低”の場合生じる。この状態でわずかの後実質的に容 量ブリッジに電流が流れない、ダイオードＤ１とＤ２は閉状態である。コンデン サＣ１の一方の電極にはポテンシャルｅ１がかかり、コンデンサＣ３の一方の電 極にはポテンシャルｅ２がかかっている。このポテンシャルｅｌとＣ２は評価回 路の出力とインバータとして働いてし）るオペアンプ３６も含んでいるネットワ ークＲ８からＲ１４の調整により定まる。ブリッジ中点、つまりここでは２つの トランジスタＴ１、Ｔ２のベースにも直流源の負のポテンシャルが抵抗Ｒ４やＲ ５を介してかかっている。またトランジスタＴ１、Ｔ２のエミッタも抵抗Ｒ３を 介して同じポテンシャルに接続されているので、トランジスタＴ１、Ｔ２は閉鎖 している。正のポテンシャルは差動増幅器の入力にかかっている。この回路の第 ２の状態は、以後これを動作状態と称するが、パルス入力が”高”の場合生じる が、ここで”高”とは電圧がポテンシャルｅ１またはＣ２より明確に正に大きい ことを表している。これによりダイオードＤ１とＤ２は導通する。コンデンサＣ １と０３の一方の電極には電圧ｅ３がたつが、このＣ３はパルス入力部にたって いるポテンシャルよりダイオードの導通電圧分だけ低いポテンシャルである。入 力パルスの急勾配の立ち上がりのため短時間でかなり大きな電流が容量ブリッジ Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４と２つのトランジスタＴ１、Ｔ２のベースを流れる。こ のベース電流は差動増幅器３５の２つの入力のポテンシャルを減じている抵抗Ｒ １、Ｒ２を通って増振はコンデンサＣ５によって防止される。

コンデンサＣ２と０４が不平衡になった場合、増幅器３５の差動電圧がポテンシ ャルｅ１とＣ２を変化させ、測定ブリッジ３４は再び平衡となる。

ダイオードＤ１とＤ２の代わりに、トランジスタを用いることができるが、この 場合トランジスタは、好ましくは方形パルスからなるパルス列で共にそのベース を制御され、コンデンサＣＩないしはＣ３と固定ポテンシャルの間の接続を選択 的に行う、この固定ポテンシャルの高さは、もちろんポテンシャルｅ１とＣ２の それぞれと相違していなければならない。

この評価回路を用いると、センサヘッド１８とピストン６から形成されるコンデ ンサＣ２の容量のわずかな変化が迅速に検出されることが可能であり、これによ り大変高い分解能が得られ、大変小さな距離変化を検出することができる。

抵抗ネットワークＲ８〜Ｒ１４と、インバータとして働くとともに差動増幅器３ ５の出力電圧にかかるオペアンプ３６を用いて、感度とポテンシャルｅ１とＣ２ の基本値を設定することが可能であり、ポテンシャルの基本値の設定は抵抗Ｒ１ ０，、Ｒ１１、Ｒ１３、Ｒ１４によって行われる。

国際調査報告 国際調査報告　　　ＡＴ　８８００１０１

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. １．取り囲まれた空間内を移動する電導性部材の基準位置からの距離の測定、特 に内燃機関のピストンの上死点の測定のための電気評価回路を有する距離測定シ ステムであって、容量センサが前記空間の壁に保持された保持手段に固定可能で あるとともに前記評価回路に持続されているものにおいて、 前記評価回路は出力がポテンシャルに応答するスイッチング手段（３１）を介し て発振器（３０）と通電している測定ブリッジ（３４）を備えており、このブリ ッジが少なくとも２つのコンデンサ（Ｃ１，Ｃ２）を有し、かつ前記センサ（１ ）のセンサヘッド（１８）と移動部材、特に内燃機関のピストンロッド（６）と が前記両コンデンサの１つを形成し、かつ 前記測定ブリッジ（３４）で取り出された交差電圧が送られてくる差動増幅器（ ３５）が備えられており、かつ前記差動増幅器（３５）の出力がポテンシャル応 答スイッチング手段（３１）の出力側ポテンシャル（ｅ１、ｅ２）を制御するこ とを特徴とする距離測定システム。
2. ２．前記ポテンシャル応答スイッチング手段（３１）がダイオード（Ｄ１、Ｄ２ ）によって構成され、これらのダイオードが前記測定ブリッジ（３４）の各２つ のコンデンサ（Ｃ１〜Ｃ４）を備えた両ブリッジ辺（３２、３３）に直列接続さ れていることを特徴とする請求項１に記載の距離測定システム。
3. ３．測定システムの静状態容量の平衡化のために前記測定ブリッジ（３４）のブ リッジ辺（３３）が可変容量コンデンサ（Ｃ４）を備えていることを特徴とする 請求項２記載の距離測定システム。
4. ４．前記センサ（１）を貫通させている保持手段が前記空間（５）の壁に固定可 能な締結部材（２）を備えており、この締結部材の端面（２３）がセンサ（１） に固定可能な距離部材（１１）の当り部として形成されており、この端面（２３ ）またはこれに接当する距離部材（１１）の面（２４）が実質的に螺旋状に延び た面の少なくとも一部分を備えており、その螺旋軸はセンサ（１）の長手軸に一 致することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の距離測定システム。
5. ５．締結部材（２）及び好ましくは距離部材（１１）もそれぞれセンサ（１）を 包囲しているチャック部材（８、１３）とこのチヤツク部材と共働する締結ナッ ト（９、１４）を備えていることを特徴とする請求項４記載の距離測定システム 。
6. ６．センサ（１）の軸に垂直で互いに向き合って延びている締結部材（２）と距 離部材（１１）の面（２３、２４）が突出した凸部（１０）とこの凸部（１０） を受けるために周方向に分布配設されている異なった深さをもつ凹部、好ましく は溝（１２，１２８、１２ｂ，１２ｃ）を備えており、凹部の高さは少なくとも 最も深い凹部の深さに一致することを特徴とする請求項５に記載の距離測定シス テム。
7. ７．前記締結手段はネジ部（７′）を備え、このネジ部はシリンダヘッドの点火 プラグ孔または噴射ノズル孔に取り付けられるアダプタ（２５；２６）内にネジ 込まれることを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載の距離測定システム。