(57)【要約】【課題】複数のガス成分を内包した立体装置の内部の局所的な領域の温度及び各ガス成分の濃度を、従来技術よりも低コストかつ高精度で計測できる立体装置の温度及び濃度計測装置等を提供する。【解決手段】立体装置の内部空間Ｒに向けて周波数が０．０１ＴＨｚ〜１０ＴＨｚの範囲内にある複数の波長のテラヘルツ波Ｔｅを送信して、立体装置の内部空間Ｒの計測領域Ｒｍを通過させて、計測領域Ｒｍから反射してくる複数の波長のテラヘルツ波Ｔｒを受信して複数の波長のテラヘルツ波Ｔｒの強度を検出して、この複数の波長のテラヘルツ波Ｔｒの強度の変化量と、予め設定された複数のガス成分Ｇｊのそれぞれにおけるテラヘルツ波の各波長での変化特性と比較して、計測領域Ｒｍの温度Ｔｍ及び複数のガス成分Ｇｊの濃度Ｄｍｊを算出する【選択図】図１
2017191017.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のガス成分を内包した立体装置の内部空間の温度又は前記複数のガス成分の濃度を計測する温度及び濃度計測装置において、
前記立体装置の前記内部空間に向けて周波数が０．０１ＴＨｚ〜１０ＴＨｚの範囲内にある複数の波長のテラヘルツ波を前記内部空間の計測領域に送信する送信ユニットと、
前記計測領域から反射してくる複数の波長のテラヘルツ波を受信する受信ユニットを備えると共に、
前記受信ユニットで受信した複数の波長のテラヘルツ波の強度の変化量と、予め設定された前記複数のガス成分のそれぞれにおけるテラヘルツ波の各波長での変化特性と比較して、前記計測領域の温度及び前記複数のガス成分の濃度を算出する温度及び濃度算出装置を備えて構成されることを特徴とする立体装置の温度及び濃度計測装置。
【請求項２】
前記送信ユニットと前記受信ユニットを備えて温度及び濃度センサを構成すると共に、
該温度及び濃度センサに対向して前記計測領域を挟んで反射部材を配置し、
前記温度及び濃度算出装置が、前記温度及び濃度センサの前記送信ユニットから送信された複数の波長のテラヘルツ波の前記反射部材からの反射波を前記温度及び濃度センサの前記受信ユニットで受信し、この受信した複数の波長のテラヘルツ波の強度の変化量と、予め設定された前記複数のガス成分のそれぞれにおけるテラヘルツ波の各波長での変化特性と比較して、前記計測領域の温度及び前記複数のガス成分の濃度を算出するように構成される請求項１に記載の立体装置の温度及び濃度計測装置。
【請求項３】
前記反射部材が、反射材料を薄膜あるいはブロック状に形成されると共に、前記反射部材を前記計測領域の反対側の部材に貼り付け又は埋め込んで構成される請求項２に記載の立体装置の温度及び濃度計測装置。
【請求項４】
前記温度及び濃度センサが、前記送信ユニットから発信されるテラヘルツ波の発信方向を変更して複数の前記反射部材を走査する走査機構を備えて構成される請求項２又は３に記載の立体装置の温度及び濃度計測装置。
【請求項５】
前記温度及び濃度センサが、テラヘルツ波発信兼検出素子と、該テラヘルツ波発信兼検出素子を積層したガラス基板と、テラヘルツ波を発生させるレーザー光線を発信するレーザー光線発信素子とを有して、半導体基板に前記レーザー光線発信素子を配置し、前記レーザー光線発信素子から発信されたレーザー光線を前記ガラス基板を通過させて前記テラヘルツ波発信兼検出素子に照射してテラヘルツ波を発信するように構成される請求項２又は３に記載された立体装置の温度及び濃度計測装置。
【請求項６】
前記温度及び濃度センサが、テラヘルツ波発信兼検出素子と、該テラヘルツ波発信兼検出素子を積層したガラス基板と、テラヘルツ波を発生させるテラヘルツ信号発信指示装置とを有して、半導体基板に前記テラヘルツ信号発信指示装置を配置し、前記テラヘルツ信号発信指示装置により前記テラヘルツ波発信兼検出素子からテラヘルツ波を発信するように構成される請求項２又は３に記載された立体装置の温度及び濃度計測装置。
【請求項７】
前記ガラス基板を支持する複数のピエゾ素子と該ピエゾ素子に流す電力を制御する電気回路とを備えた支持体を有し、前記ガラス基板が前記半導体基板の上に設けられた前記支持体に配置されると共に、前記電気回路に流す電力を制御して前記ピエゾ素子の伸縮量を変化させて前記ガラス基板の方向を変化させることにより、テラヘルツ波の発信方向を変化させて、このテラヘルツ波で前記反射部材を走査する走査機構を備えて構成される請求項５又は６に記載された立体装置の温度及び濃度計測装置。
【請求項８】
前記反射部材が面状に配置された請求項２〜７のいずれか１項に記載された立体装置の温度及び濃度計測装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の立体装置の温度及び濃度計測装置を備えて、燃焼機関の気筒内の温度及びガス成分の濃度を計測するように構成された燃焼機関の温度及び濃度計測装置。
【請求項１０】
請求項９の燃焼機関の温度及び濃度計測装置を備えた燃焼機関。
【請求項１１】
ガス成分を内包した立体装置の内部空間の温度又は前記複数のガス成分の濃度を計測する立体装置の温度及び濃度計測方法において、
前記立体装置の前記内部空間に向けて周波数が０．０１ＴＨｚ〜１０ＴＨｚの範囲内にある複数の波長のテラヘルツ波を送信して、前記立体装置の前記内部空間の計測領域を通過させて、前記計測領域から反射してくる複数の波長のテラヘルツ波を受信して複数の波長のテラヘルツ波の強度を検出して、この複数の波長のテラヘルツ波の強度の変化量と、予め設定された前記複数のガス成分のそれぞれにおけるテラヘルツ波の各波長での変化特性と比較して、前記計測領域の温度及び前記複数のガス成分の濃度を算出することを特徴とする立体装置の温度及び濃度計測方法。
【請求項１２】
前記温度及び濃度センサに対向して前記計測領域を挟んで反射部材を配置し、
前記温度及び濃度センサの前記送信ユニットから送信された複数の波長のテラヘルツ波の前記反射部材からの反射波を前記温度及び濃度センサの前記受信ユニットで受信し、この受信した複数の波長のテラヘルツ波の強度の変化量と、予め設定された前記複数のガス成分のそれぞれにおけるテラヘルツ波の各波長での変化特性と比較して、前記計測領域の温度及び前記複数のガス成分の濃度を算出する請求項１１に記載の立体装置の温度及び濃度計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のガス成分を内包した立体装置の内部空間の温度及び各ガス成分の濃度を低コストかつ高精度で計測することができる立体装置の温度及び濃度計測装置、燃焼機関の温度及び濃度計測装置、燃焼機関及び立体装置の温度及び濃度計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の気筒（シリンダ）の内の燃焼状況は、この内燃機関を搭載した車両の燃費や排気ガスの浄化処理性能に影響を強く及ぼすため、気筒の内の燃焼状況を制御する必要があり、そのために、気筒の内部空間の温度を把握することが非常に重要となる。この気筒の内部空間の温度の計測は、気筒の内部空間の局所的な領域の温度を計測して、この局所的な温度を計測場所と対応させて集約することにより温度分布を作成するのが一般的である。
【０００３】
この気筒の内部空間の局所的な領域の温度の計測手法としては、２次元レーザー誘起蛍光法（ＬＩＦ法）やレーザー吸収法に、ＣＴ法（コンピュータ断層撮影法）を組み合わせる手法、及び、さらに、気筒内に蛍光体（粒子）を混入させ、この蛍光体にレーザー光を照射して、この照射による蛍光体の発光強度に基づいて、気筒の内部空間の局所的な領域の温度を計測する手法が用いられている。
【０００４】
しかしながら、この蛍光体を用いた計測手法は、次のような多くの問題を抱えている。第１の問題として、気筒内に蛍光体を混入させる必要があるため、通常のエンジンの気筒の内部空間では使用できず、この計測手法を用いることができる内部空間は限定されてしまう。
【０００５】
第２の問題として、この計測手法は、レーザー光を蛍光体に入射しても、いわゆる失活現象により、蛍光体が発光しない場合があり、そのために、温度の推定が難しくなる場合がある。
【０００６】
第３の問題として、この計測手法は、発光強度を検出した蛍光体の存在位置の測定精度が高くないため、計測位置を精度良く特定できない。
【０００７】
一方、温度測定ではなく、粒子状物質の濃度測定に関するものであるが、ディーゼルエンジンの排気系に配置されたフィルタのＰＭ堆積分布を検出する場合等に用いる粒子状物質の捕集量分布検出装置として、粒子状物質を含む気体が流通する流路中に配置されて粒子状物質を捕集する捕集装置に対して、この捕集装置の外部から捕集装置に周波数が数１０ＧＨｚ〜数ＴＨｚの電磁波を照射する照射手段と、捕集装置を透過した電磁波の強度を検出する受信手段を、互いに対向させた状態で設けて、照射手段より電磁波を２以上の照射角度で照射して、それぞれの角度で透過した電磁波の強度を受信手段によってそれぞれ検出することで、捕集装置内の粒子状物質の捕集分布を検出する粒子状物質の捕集量分布検出装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
そして、従来技術における、エンジン（内燃機関）のピストンの表面温度の測定では、主に熱電対を直接測定対象のピストンに取り付けて測定している。この場合には、その熱電対の取付け位置から配線を導出してエンジンの外に設置された測定装置に接続して測定しているので、配線取り出し用のリンク機構が必要になり、また、配線を使用せずに、電波で計測信号を送信する場合には、その送信用の部品をコンロッドに設ける場合には、データ送信用のコンロッド構造が必要になるなど、通常のエンジンの構造とは異なる構造となる。
【０００９】
そのため、ピストンの質量の増加や配線切断予防のための運転条件の制限などが生じたり、熱電対を設けたエンジンの性能が本来の測定対象のエンジンの性能と異なってきてしまうという問題がある。また、送信用部品のためにコンロッドに穴を設ける場合には、コンロッドの強度の低下を招いたり、送信用部品のためにコンロッドの質量が増加してクランクシャフトの耐久性に影響を与えるという問題がある。言い換えれば、従来技術のピストンの温度の測定手段では、熱電対の配線を取り出す仕組みや電波による遠隔計測するための仕組みはエンジンの改造を前提にした構造になっていて、実際の量産エンジンには使用しないとの前提で温度計測が行われていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０１１−５８３７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明者は、蛍光体とレーザー光を用いて内部空間の局所的な領域の温度を計測する従来の計測手法ではなく、電波の透過性と光の直進性を有する、電波と光の中間の波長を持つ、周波数が０．０１ＴＨｚ〜１０ＴＨｚの範囲のテラヘルツ波を使用することにより、従来の計測手法が有する上記の第１〜第３の問題を解決して、気筒等のガスを内包する内部空間の局所的な領域の温度及びガス成分の濃度をより低コストかつ高精度で計測でき、その結果、内部空間の温度及びガス成分の濃度をより低コストかつ高精度で計測することができるとの知見を得た。
【００１２】
更に、本発明者は、計測領域を通過した後のテラヘルツ波の減衰量即ち強度の変化量が計測領域の温度とガス成分の濃度と密接な関係があること、及び、図５に模式的に示すように、この減衰量と温度と濃度の関係はガス成分の分子（例えば、二酸化炭素、窒素、酸素、水等）の種類ごとに異なることを見出し、特定の範囲の波長を複数持つテラヘルツ波を使用することで、計測領域の測定温度と各ガス成分の濃度を測定できるとの知見を得た。
【００１３】
なお、図５は、実際のガス成分におけるテラヘルツ波の透過スペクトラムと周波数の関係を示すものではなく、模式的に、ガス成分（Ｇ１）とガス成分（Ｇ２）で、テラヘルツ波の透過スペクトラムで見られる減衰量が著しい周波数（下向き矢印部分）が幾つかあり、それぞれの周波数によって減衰量が異なるが、ガス成分（Ｇ１）とガス成分（Ｇ２）とでは、その減衰の著しい周波数も、その周波数における、減衰量も異なることを説明するための模式的な図であり、実際の特定のガス成分に相当する図ではない。
【００１４】
本発明は、上記のことを鑑みてなされたものであり、その目的は、例えば、燃焼ガスを内包したエンジンの気筒内のように、複数のガス成分を内包した立体装置の内部空間の局所的な領域の温度及び各ガス成分の濃度を、従来技術よりも低コストかつ高精度で計測でき、その結果、立体装置の内部空間の温度及び各ガス成分の濃度を低コストかつ高精度で計測することができる立体装置の温度及び濃度計測装置及び立体装置の温度及び濃度計測方法を提供することにある。
【００１５】
更には、エンジンに取付けるセンサ部分の改良とピストン部品だけの改良で計測が可能となり、熱電対用の配線を用いることなく、エンジンに容易に取り付けることができて、従来技術のようにエンジン全体の改造をする必要を無くすことでき、計測装置を取り付けた量産エンジンを生産することが可能となり、その結果、量産エンジンにおける稼働時の温度計測を可能として、エンジン制御に用いることが可能となる燃焼機関の温度及び濃度計測装置、及び、燃焼機関を提供することにある。また、ピストン温度上昇を検知して、燃料噴射量を低減する制御を可能とする燃焼機関を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記の目的を達成するための本発明の立体装置の温度及び濃度計測装置は、複数のガス成分を内包した立体装置の内部空間の温度又は前記複数のガス成分の濃度を計測する温度及び濃度計測装置において、前記立体装置の前記内部空間に向けて周波数が０．０１ＴＨｚ〜１０ＴＨｚの範囲内にある複数の波長のテラヘルツ波を前記内部空間の計測領域に送信する送信ユニットと、前記計測領域から反射してくる複数の波長のテラヘルツ波を受信する受信ユニットを備えると共に、前記受信ユニットで受信した複数の波長のテラヘルツ波の強度の変化量と、予め設定された前記複数のガス成分のそれぞれにおけるテラヘルツ波の各波長での変化特性と比較して、前記計測領域の温度及び前記複数のガス成分の濃度を算出する温度及び濃度算出装置を備えて構成される。
【００１７】
なお、ここでいう「温度及びガス成分の濃度」とは、本装置や本方法では「温度」と「ガス成分の濃度」の両方を同じ原理で測定できることを示し、必ずしも、「温度」と「ガス成分の濃度」の両方を出力したり表示したりする装置や方法に限定するものではなく、片方のみを出力したり、表示したりする装置や方法も含む。つまり、ここでいう「立体装置の温度及び濃度計測装置」とは、「温度」、又は、「ガス成分の濃度」、又は、「温度とガス成分の濃度の両方」を計測する装置のことをいう。
【００１８】
すなわち、この構成では、立体装置の内部空間の温度を算出するために、複数の波長のテラヘルツ波を送信する。図５に示すように、この複数の波長のテラヘルツ波の強度の変化量（減衰量又は吸収量）と温度の関係が顕著に表れる波長（又は、周波数＝波の位相速度／波長）と、テラヘルツ波の強度の変化量とガス成分の濃度の関係が顕著に表れる波長は異なる場合があり、この波長の使い分けにより、温度とガス成分の濃度を算出することができる。
【００１９】
なお、このテラヘルツ波の強度は、テラヘルツ波の振幅と密接な関係を持っているので、テラヘルツ波の振幅を検出又は算出できる場合はこの振幅を強度の代用としてもよい。
【００２０】
そして、この計測領域の温度に起因するテラヘルツ波の変化量と、計測領域の温度及びガス成分の濃度との関係は、図６に示すように、ガス成分のそれぞれの濃度に対して、予め実験等により求めておき、それぞれのガス成分別に更にその濃度別に図６に示すような較正データを作成しておく。このガス成分別かつその濃度別の較正データに基づいて、温度計測時において、検出したテラヘルツ波の変化量から、計測領域の温度及びガス成分の濃度を算出する。なお、使用するテラヘルツ波の波長の数としては、２つ以上で、上限は実用的に定まり、計算能力を考えると１００程度であるが、通常は２〜８程度が考えられる。
【００２１】
なお、温度及びガス成分の濃度の一方を固定した場合には、その一方（例えば、ガス成分の濃度）を固定した較正データにより、その一方の変化による他方（例えば、温度）への影響を考慮することなく他方を容易に算出できる。この場合は、温度及びガス成分の濃度の両方ではなく、一方を測定する装置又は他方を測定する装置となる。
【００２２】
そして、この波長（周波数）と温度とガス成分(分子)の濃度の関係は、図５に説明用に示すように、ガス成分によって異なるので、複数のガス成分に関して、それぞれの計測用の周波数における強度の変化量と温度とガス成分の濃度の関係を利用することにより、それぞれのガス成分毎に温度及びガス成分の濃度を算出することができる。これらを、ガス成分毎に算出された温度が同じになるという前提条件下で互いに照合することで、各ガス成分の濃度も確定することができる。
【００２３】
言い換えれば、それぞれのガス成分毎に、テラヘルツ波の減衰量を検出することにより、受信ユニットで検出されたテラヘルツ波の強度から算出される温度に対して、ガス成分毎に、ガス成分の濃度を考慮した温度補正をすることが可能となり、温度の計測精度をより高めることができる。なお、使用するガス成分の数としては、２つ以上で、上限は実用的に定まり、燃焼ガスに含まれるガス成分（分子）としては、内燃機関の場合には窒素、酸素、二酸化炭素、一酸化炭素、二酸化窒素、一酸化窒素、水、未燃ＨＣ等の２〜８のガス成分が考えられる。
【００２４】
また、精度良く位置を特定することが難しい発光強度を検出した蛍光体の存在位置ではなく、テラヘルツ波の照射及び反射の位置を制御できるので、テラヘルツ波が通過する計測領域の位置を明確に把握した上で、温度及びガス成分の濃度を計測できるので、計測位置が正確となる。
【００２５】
従って、電波の透過性と光の直進性を有する、電波と光の中間の波長を持つ、周波数が０．０１ＴＨｚ〜１０ＴＨｚの範囲のテラヘルツ波を活用することにより、燃焼ガスを内包したエンジンの気筒の内部空間のように、複数のガス成分を内包した立体装置の内部空間の局所的な領域の温度及びガス成分の濃度を、従来技術よりも低コストかつ高精度で計測でき、その結果、立体装置の内部空間の温度及びガス成分の濃度を低コストかつ高精度で計測することができる。
【００２６】
この構成では、従来技術のレーザー誘起蛍光法のように、蛍光体とレーザー光を使用しないので、レーザー光学系の設備が不要になる上に、立体装置の内部空間の各領域の温度及びガス成分の濃度を計測するための多数の部品を配置する必要がなくなるので、装置が簡略化され、低コスト化することができる。
【００２７】
また、立体装置の内部空間に蛍光体を混入しないので、通常のエンジンの気筒の内部空間等でも使用できるようになり、本発明の温度及び濃度計測装置を採用できる内部空間は制限されなくなる。その上、蛍光体の失活現象により温度の推定が難しくなることもない。
【００２８】
上記の立体装置の温度及び濃度計測装置において、前記送信ユニットと前記受信ユニットを備えて温度及び濃度センサを構成すると共に、該温度及び濃度センサに対向して前記計測領域を挟んで反射部材を配置し、前記温度及び濃度算出装置が、前記温度及び濃度センサの前記送信ユニットから送信された複数の波長のテラヘルツ波の前記反射部材からの反射波を前記温度及び濃度センサの前記受信ユニットで受信し、この受信した複数の波長のテラヘルツ波の強度の変化量と、予め設定された前記複数のガス成分のそれぞれにおけるテラヘルツ波の各波長での変化特性と比較して、前記計測領域の温度及び前記複数のガス成分の濃度を算出するように構成される。
【００２９】
つまり、計測領域を通過した複数の波長のテラヘルツ波を温度及び濃度センサの受信ユニットで受信して、この受信した信号強度（ガス内包領域を通過した透過強度）の変化量（減衰量）を、温度及び濃度算出装置内の演算機構で、理論的に計算される各周波数のテラヘルツ波の減衰量と温度の関係と比較し、反射部材から反射してきたテラヘルツ波の通過領域である計測領域のガス成分中を通過して吸収された信号強度から、反射部材と関連している計測領域のそれぞれにおける、それぞれのガス成分(分子)に対しての温度を算出し、これらの温度から計測領域の温度を算出する。
【００３０】
例えば、反射部材からの反射波のスペクトルとガス成分からのスペクトルに違いがある場合は、事前に吸収スペクトルを測定することが可能である。例えば、空気のみで測定する第１計測と「空気＋反射部材」で測定する第２計測とを行い、この第１計測の計測値と第２計測の計測値とが同じ場合は、反射部材による吸収が無い場合であり、反射部材の影響を「０：ゼロ」として，データを取得することができる。これにより、計測時に反射部材の温度影響を除去することができる。
【００３１】
しかし、反射部材からの反射波のスペクトルとガス成分からのスペクトルに違いがなく、かつ、ガス成分によるスペクトルの吸収があると分かった場合には、反射部材の温度の影響を除去することができないが、その場合は、事前に温度、濃度を一定にした条件で別の確認試験を実施して、データを取り込んだ上で、そのデータと比較することで、温度、濃度を算出することができる。
【００３２】
なお、反射部材や反射材料は送信ユニットで送信したテラヘルツ波を受信ユニットに反射できればよく、反射し易い金属、例えば電解ニッケルメッキした金属や、反射し易い表面処理、例えば、表面粗さにおいて算術平均粗さ（Ｒａ）が６．３以下（Ｒａ＝６．３ａの状態からより細やか）にすることが好ましい。
【００３３】
また、上記の立体装置の温度及び濃度計測装置において、前記反射部材が、反射材料を薄膜あるいはブロック状に形成されると共に、前記反射部材を前記計測領域の反対側の部材に貼り付け又は埋め込んで構成される。
【００３４】
この構成によれば、テラヘルツ波に対して反射率の高い材料、例えば、電解ニッケルメッキなどの薄膜金属や金属以外の反射材料を用いて、この反射材料を計測領域の反対側の部材に、貼り付けるか埋め込むことだけで済むので、容易に計測領域を拡大できる。つまり、反射部材には電線などが不要であるので、テラヘルツ波が計測領域を通過する先にある部材に反射部材を配置するのみで済む。
【００３５】
例えば、内燃機関では、シリンダヘッド側に温度及び濃度センサを配置し、ピストン表面又はピストンの燃焼室（キャビテイ）の底面に反射部材を配置することで、燃焼室内の温度を計測でき、また、シリンダの横に温度及び濃度センサを配置し、シリンダヘッドにおいて燃焼室に対向する面に反射部材を配置することで、燃焼室内の上部のシリンダヘッドの近傍の温度を計測できる。
【００３６】
この構成によれば、反射材料の温度によって、また、テラヘルツ波が通過するガス成分(分子)によってテラヘルツ波の吸収スペクトル（透過スペクトル）の各周波数における吸収特性（透過特性）が異なることから、その場所における各ガス成分の濃度と温度の同時計測が可能となる。つまり、エンジンに取り付けるセンサ部と、ピストン表面部の材料構成を変更する構成にすることで、熱電対用の配線を用いることが無く、センサ・配線を配置して、この配線を取り出す構造が不要となるので、エンジンに容易に取り付けることが可能になる。
【００３７】
また、上記の立体装置の温度及び濃度計測装置において、前記温度及び濃度センサが、前記送信ユニットから発信されるテラヘルツ波の発信方向を変更して複数の前記反射部材を走査する走査機構を備えて構成される。つまり、送信ユニットからテラヘルツ波を発信し、反射部材において反射したテラヘルツ波を温度及び濃度センサの受信ユニットで取り込み、一方、送信ユニットにおけるテラヘルツ波の発信方向を変更して各位置の反射部材にテラヘルツ波を照射していくことで、走査(スキャン)する。この走査により、テラヘルツ波をそれぞれの反射部材に順次照射していくことができ、それぞれの計測領域における温度と各ガス成分の濃度を測定できる。
【００３８】
また、より具体的には、上記の立体装置の温度及び濃度計測装置において、前記温度及び濃度センサが、テラヘルツ波発信兼検出素子と、該テラヘルツ波発信兼検出素子を積層したガラス基板と、テラヘルツ波を発生させるレーザー光線を発信するレーザー光線発信素子とを有して、半導体基板に前記レーザー光線発信素子を配置し、前記レーザー光線発信素子から発信されたレーザー光線を前記ガラス基板を通過させて前記テラヘルツ波発信兼検出素子に照射してテラヘルツ波を発信するように構成される。
【００３９】
この構成によれば、温度及び濃度センサを、テラヘルツ波発信兼検出素子をガラス基板に積層して、レーザー光線発信素子の前方側に配置することにより、レーザー光線発信素子から発信されたレーザー光線をガラス基板を通過させてテラヘルツ波発信兼検出素子に照射してテラヘルツ波を発信し、また、反射部材から反射してきたテラヘルツ波をテラヘルツ波発信兼検出素子で受信することができる。
【００４０】
なお、テラヘルツ光源として使用される装置としては、レーザーを受けてテラヘルツ発振素子でテラヘルツ波を発信する装置だけは無く、直接、テラヘルツ波発振素子によりテラヘルツ波を発振可能な素子もある。この場合はレーザーの位置には，テラヘルツ信号発振指示装置のみが搭載されることになる。
【００４１】
つまり、上記の立体装置の温度及び濃度計測装置において、前記温度及び濃度センサが、テラヘルツ波発信兼検出素子と、該テラヘルツ波発信兼検出素子を積層したガラス基板と、テラヘルツ波を発生させるテラヘルツ信号発信指示装置とを有して、半導体基板に前記テラヘルツ信号発信指示装置を配置し、前記テラヘルツ信号発信指示装置により前記テラヘルツ波発信兼検出素子からテラヘルツ波を発信するように構成される。
【００４２】
また、上記の立体装置の温度及び濃度計測装置において、前記ガラス基板を支持する複数のピエゾ素子と該ピエゾ素子に流す電力を制御する電気回路とを備えた支持体を有し、前記ガラス基板が前記半導体基板の上に設けられた前記支持体により、前記レーザー光線発信素子の前方に配置されると共に、前記電気回路に流す電力を制御して前記ピエゾ素子の伸縮量を変化させて前記ガラス基板の方向を変化させることにより、テラヘルツ波の発信方向を変化させて、このテラヘルツ波で前記反射部材を走査する走査機構を備えて構成される。
【００４３】
この構成によれば、温度及び濃度センサの首振りによる走査（スキャン）方式ではなく、テラヘルツ波発信兼検出素子を取付けたガラス基板の方向をピエゾ素子の伸縮によって簡単に変更することができ、また、反射部材から反射してきたテラヘルツ波を、テラヘルツ波発信兼検出素子で検出して支持体の電気回路を通過して信号を半導体基板を経由して温度及び濃度算出装置に伝えることで、テラヘルツ波が通過する計測領域の温度とガス成分の濃度を一括して計測することが可能となる。従って、この構成により、計測領域の位置情報を含めてより精度よく設定できるようになる。
【００４４】
また、上記の立体装置の温度及び濃度計測装置において、前記反射部材が面状に配置されると、１回の走査で広い計測領域を効率よく計測できるようになる。
【００４５】
上記の目的を達成するための本発明の燃焼機関の温度及び濃度計測装置は、上記の立体装置の温度及び濃度計測装置を備えて、燃焼機関の気筒内の温度及びガス成分の濃度を計測するように構成され、上記の温度及び濃度計測装置と同様の作用効果を奏することができる。
【００４６】
上記の目的を達成するための本発明の燃焼機関は、上記の燃焼機関の温度及び濃度計測装置を備えて構成され、上記の温度及び濃度計測装置、及び、上記の燃焼機関の温度及び濃度計測装置と同様の作用効果を奏することができる。
【００４７】
特に、燃焼機関が内燃機関の場合には、センサにより検出されたピストン温度から、燃料噴射装置に対する指示信号を変更することで、例えば、温度上昇を検知したときに燃料噴射量を低減する指示をする等で、ピストンへの熱負荷を低減することが可能となる。
【００４８】
上記の目的を達成するための本発明の立体装置の温度及び濃度計測方法は、ガス成分を内包した立体装置の内部空間の温度又は前記複数のガス成分の濃度を計測する立体装置の温度及び濃度計測方法において、前記立体装置の前記内部空間に向けて周波数が０．０１ＴＨｚ〜１０ＴＨｚの範囲内にある複数の波長のテラヘルツ波を送信して、前記立体装置の前記内部空間の計測領域を通過させて、前記計測領域から反射してくる複数の波長のテラヘルツ波を受信して複数の波長のテラヘルツ波の強度を検出して、この複数の波長のテラヘルツ波の強度の変化量と、予め設定された前記複数のガス成分のそれぞれにおけるテラヘルツ波の各波長での変化特性と比較して、前記計測領域の温度及び前記複数のガス成分の濃度を算出することを特徴とする方法である。
【００４９】
上記の立体装置の温度及び濃度計測方法において、前記温度及び濃度センサに対向して前記計測領域を挟んで反射部材を配置し、前記温度及び濃度センサの前記送信ユニットから送信された複数の波長のテラヘルツ波の前記反射部材からの反射波を前記温度及び濃度センサの前記受信ユニットで受信し、この受信した複数の波長のテラヘルツ波の強度の変化量と、予め設定された前記複数のガス成分のそれぞれにおけるテラヘルツ波の各波長での変化特性と比較して、前記計測領域の温度及び前記複数のガス成分の濃度を算出する。
【００５０】
これらの方法によれば、それぞれが対応する上記の温度及び濃度計測装置と同様の作用効果を奏することができる。
【発明の効果】
【００５１】
本発明の立体装置の温度及び濃度計測装置、燃焼機関の温度及び濃度計測装置、燃焼機関及び立体装置の温度及び濃度計測方法によれば、電波の透過性と光の直進性を有する、電波と光の中間の波長を持つ、周波数が０．０１ＴＨｚ〜１０ＴＨｚの範囲の複数の波長のテラヘルツ波を活用することにより、燃焼ガスを内包したエンジンの気筒の内部空間のように、複数のガス成分を内包した立体装置の内部空間の局所的な領域の温度及び各ガス成分の濃度を、従来技術よりも低コストかつ高精度で計測でき、その結果、立体装置の内部空間の温度及びガス成分の濃度を低コストかつ高精度で計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明に係る実施の形態の立体装置の温度及び濃度計測装置の構成を模式的に示す図である。
【図２】温度及び濃度センサの構成の一例を模式的に示す図である。
【図３】温度及び濃度センサと反射部材の配置を模式的に示す図である。
【図４】燃焼機関における燃料噴射装置と、ピストン表面に配置した反射部材との構成を模式的に示す図である。
【図５】ガス成分別における、受信ユニットで受信したテラヘルツ波の透過スペクトラムと温度による減衰量の大きい周波数との関係を説明するための図である。
【図６】特定の濃度の特定のガス成分を通過したテラヘルツ波の特定周波数における温度と透過光強度比の対数との関係の一例を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００５３】
以下、本発明に係る実施の形態の立体装置の温度及び濃度計測装置、燃焼機関の温度及び濃度計測装置、燃焼機関及び立体装置の温度及び濃度計測方法について図面を参照しながら説明する。なお、本実施形態では、燃焼機関の例として内燃機関を、立体装置の例として、内燃機関の気筒（シリンダ）を採用して説明しているが、本発明はこれに限定されず、例えば、ガスタービン等を燃焼機関とし、その燃焼室を立体装置としてもよく、また、立体装置も燃焼機関に含まれるものでなくてもよい。
【００５４】
更に、ここでいう「温度Ｔｍ及びガス成分の濃度Ｄｍｊ」とは、本装置や本方法では「温度Ｔｍ」と「ガス成分の濃度Ｄｍｊ」の両方を同じ原理で測定できることを示し、必ずしも、「温度Ｔｍ」と「ガス成分の濃度Ｄｍｊ」の両方を出力したり表示したりする装置や方法に限定するものではなく、片方のみを出力したり、表示したりする装置や方法も含む。つまり、ここでいう「立体装置の温度及び濃度計測装置」とは、「温度Ｔｍ」、又は、「ガス成分の濃度Ｄｍｊ」、又は、「温度Ｔｍとガス成分の濃度Ｄｍｊの両方」を計測する装置のことをいう。
【００５５】
この本発明に係る実施の形態の立体装置の温度及び濃度計測装置として、エンジン(内燃機関：燃焼機関)の気筒内の温度及びガス成分の濃度を測定する燃焼機関の温度及び濃度計測装置で説明する。つまり、この実施の形態の立体装置の温度及び濃度計測装置は、本発明の実施の形態の燃焼機関の温度及び濃度計測装置でもあり、このエンジンは、本発明の実施の形態の燃焼機関でもある。
【００５６】
そして、図１に示すように、この立体装置の温度及び濃度計測装置(以下、温度及び濃度計測装置という)１０は、エンジン１の複数のガス成分Ｇｊを内包した気筒（立体装置）の内部空間Ｒの温度Ｔｍ又は複数（Ｊ個）のガス成分Ｇｊ（ｊ＝１、２・・Ｊ）の濃度Ｄｍｊを計測する温度及び濃度計測装置であり、この温度及び濃度計測装置１０において、立体装置の内部空間Ｒに向けて周波数が０．０１ＴＨｚ〜１０ＴＨｚの範囲内にある複数の波長のテラヘルツ波Ｔｅを立体装置の内部空間Ｒの計測領域Ｒｍに送信する送信ユニット１１ａと、計測領域Ｒｍから反射してくる複数の波長のテラヘルツ波Ｔｒを受信する受信ユニット１１ｂを備えて構成される。
【００５７】
それと共に、受信ユニット１１ｂで受信した複数の波長のテラヘルツ波Ｔｒの強度の変化量と、予め実験などにより設定された複数のガス成分Ｇｊのそれぞれにおけるテラヘルツ波の各波長での変化特性と比較して、計測領域Ｒｍの温度Ｔｍ及び複数のガス成分Ｇｊの濃度Ｄｍｊを算出する温度及び濃度算出装置１２を備えて構成される。
【００５８】
そして、送信ユニット１１ａと受信ユニット１１ｂを備えて温度及び濃度センサ１１を構成すると共に、この温度及び濃度センサ１１に対向して計測領域Ｒｍを挟んで反射部材１３を配置する。さらに、温度及び濃度算出装置１２が、温度及び濃度センサ１１の送信ユニット１１ａから送信された複数の波長のテラヘルツ波Ｔｅの反射部材１３からの反射波Ｔｒを温度及び濃度センサ１１の受信ユニット１１ｂで受信し、この受信した複数の波長のテラヘルツ波Ｔｒの強度の変化量と、予め設定された複数のガス成分Ｇｊのそれぞれにおけるテラヘルツ波の各波長での変化特性と比較して、計測領域Ｒｍの温度Ｔｍ及び複数のガス成分Ｇｊの濃度Ｄｍｊを算出するように構成される。
【００５９】
つまり、計測領域Ｒｍを通過した複数の波長のテラヘルツ波を温度及び濃度センサ１１の受信ユニット１１ｂで受信して、この受信した信号強度（ガス内包領域を通過した透過強度）の変化量（減衰量）を、温度及び濃度算出装置１２内の演算機構で、理論的に計算される各周波数のテラヘルツ波の減衰量と温度の関係を比較し、反射部材１３から反射してきたテラヘルツ波Ｔｒの通過領域である計測領域Ｒｍのガス成分Ｇｊ中を通過して吸収された信号強度から、反射部材１３と関連している計測領域Ｒｍのそれぞれにおける、それぞれのガス成分(分子)Ｇｊに対しての温度Ｔｍｊを算出し、これらの温度Ｔｍｊから重み付平均等の手法を用いて計測領域Ｒｍの温度Ｔｍを算出する。
【００６０】
なお、反射部材１３や反射材料は送信ユニット１１で送信したテラヘルツ波Ｔｅを受信ユニット１１ｂに反射できればよく、反射し易い金属や反射し易い表面処理、例えば、表面粗さにおいて算術平均粗さ（Ｒａ）が６．３以下（Ｒａ＝６．３ａの状態からより細やか）にすることが好ましい。
【００６１】
また、この反射部材１３は、反射材料を薄膜あるいはブロック状に形成して、この反射部材１３を計測領域Ｒｍの反対側の部材（図１ではピストン２の表面）に貼り付け又は埋め込まれる。この構成によれば、テラヘルツ波に対して反射率の高い材料、例えば、電解ニッケルメッキなどの薄膜金属や金属以外の反射材料を用いて、この反射材料を計測領域Ｒｍの反対側の部材であるピストン２に、貼り付けるか埋め込むことだけで済むので、容易に計測領域Ｒｍを拡大できる。つまり、反射部材１３には電線などが不要であるので、テラヘルツ波Ｔｅが計測領域Ｒｍを通過する先の部材に反射部材１３を配置するのみで済む。
【００６２】
例えば、図１に示すように、シリンダヘッド４側に温度及び濃度センサ１１を配置し、ピストン２の表面又はピストン２の燃焼室（キャビテイ）２ｂの底面に反射部材１３を配置することで、燃焼室２ｂ内の温度Ｔｍを計測でき、また、シリンダ３の横に温度及び濃度センサ１１を配置し、シリンダヘッド４において燃焼室２ｂに対向する面に反射部材１３を配置することで、燃焼室２ｂ内の上部のシリンダヘッド４の近傍の温度Ｔｍを計測できる。また、図３に示すように、反射部材１３を面状に配置すると、１回の走査で広い計測領域Ｒｍを効率よく計測できるようになる。
【００６３】
この構成によれば、発信されたテラヘルツ波Ｔｅが通過するガス成分(分子)Ｇｊの温度によって、テラヘルツ波の吸収スペクトル（透過スペクトル）の各周波数における吸収特性（透過特性）が異なることから、その場所における各ガス成分の濃度Ｄｍｊと温度Ｔｍの同時計測が可能となる。つまり、エンジン１に取り付けるセンサ部と、ピストン２の表面部の材料構成を変更したため、熱電対用の配線を用いることが無く、センサ・配線を配置して、この配線を取り出す構造が不要となるので、エンジン１に容易に取り付けることが可能になる。
【００６４】
また、この温度及び濃度センサ１１は、送信ユニット１１ａから発信されるテラヘルツ波Ｔｅの発信方向を変更して複数の反射部材１３を走査する走査機構を備えて構成されることが好ましい。これにより、温度及び濃度センサ１１の送信ユニット１１ａからテラヘルツ波Ｔｅを発信し、反射部材１３において反射したテラヘルツ波Ｔｒを温度及び濃度センサ１１の受信ユニット１１ｂで取り込み、一方、温度及び濃度センサ１１は、送信ユニット１１ａにおけるテラヘルツ波Ｔｅの発信方向を変更して各位置の反射部材１３にテラヘルツ波Ｔｅを照射していくことで、走査(スキャン)する。この走査により、テラヘルツ波Ｔｅをそれぞれの反射部材１３に順次照射していくことができ、それぞれの計測領域Ｒｍにおける温度Ｔｍと各ガス成分Ｇｊの濃度Ｄｍｊを測定できる。
【００６５】
また、より具体的には、図２に示すように、この立体装置の温度及び濃度計測装置１０において、温度及び濃度センサ１１を、テラヘルツ波発信兼検出素子１１ａｂと、このテラヘルツ波発信兼検出素子１１ａｂを積層したガラス基板１１ａａと、テラヘルツ波を発生させるレーザー光線を発信するレーザー光線発信素子１１ａｃとを有して、半導体基板１１ｃにレーザー光線発信素子１１ａｃを配置し、レーザー光線発信素子１１ａｃから発信されたレーザー光線Ｌをガラス基板１１ａａを通過させてテラヘルツ波発信兼検出素子１１ａｂに照射してテラヘルツ波Ｔｅを発信するように構成される。
【００６６】
なお、テラヘルツ光源として使用される装置としては、図２に示すような、レーザーを受けてテラヘルツ発振素子でテラヘルツ波を発信する装置だけは無く、直接、テラヘルツ波発振素子によりテラヘルツ波を発振可能な素子もある。この場合は、図２の１１ａｃのレーザーの位置には，テラヘルツ信号発振指示装置のみが搭載されることになる。
【００６７】
また、走査機構として、図２に示すように、ガラス基板１１ａａを支持する複数のピエゾ素子とこのピエゾ素子に流す電力を制御する電気回路とを備えた支持体１１ｄを有し、ガラス基板１１ａａが半導体基板１１ｃの上に設けられた支持体１１ｄにより、レーザー光線発信素子１１ａｃの前方に配置されると共に、電気回路に流す電力を制御してピエゾ素子の伸縮量を変化させてガラス基板１１ａａの方向を変化させることにより、テラヘルツ波Ｔｅの発信方向を変化させて、このテラヘルツ波Ｔｅで反射部材１３を走査するように構成される。
【００６８】
これにより、温度及び濃度センサ１１を、テラヘルツ波発信兼検出素子１１ａｂをガラス基板１１ａａに積層して、レーザー光線発信素子１１ａｃの前方側に配置することにより、レーザー光線発信素子１１ａｃから発信されたレーザー光線Ｌをガラス基板１１ａａを通過させてテラヘルツ波発信兼検出素子１１ａｂに照射してテラヘルツ波Ｔｅを発信し、また、反射部材１３から反射してきたテラヘルツ波Ｔｒをテラヘルツ波発信兼検出素子１１ａｂで受信することができる。
【００６９】
また、温度及び濃度センサ１１の首振りによる走査（スキャン）方式ではなく、テラヘルツ波発信兼検出素子１１ａｂを取付けたガラス基板１１ａａの方向をピエゾ素子によって簡単に変更することができ、また、反射部材１３から反射してきたテラヘルツ波Ｔｒを、テラヘルツ波発信兼検出素子１１ａｂで検出して支持体１１ｄの電気回路を通過して信号を半導体基板１１ｃを経由して温度及び濃度算出装置１２に伝えることで、テラヘルツ波Ｔｅが通過する計測領域Ｒｍの温度Ｔｍとガス成分Ｇｊの濃度Ｄｍｊを一括して計測することが可能となる。従って、この構成により、計測領域Ｒｍの位置情報を含めてより精度よく設定できるようになる。
【００７０】
次に本発明に係る実施の形態の立体装置の温度及び濃度計測方法は、複数のガス成分Ｇｊを内包した立体装置の内部空間の温度Ｔｍ又は複数のガス成分Ｇｊの濃度Ｄｍｊを計測する立体装置の温度及び濃度計測方法であり、この方法において、立体装置の内部空間Ｒに向けて周波数が０．０１ＴＨｚ〜１０ＴＨｚの範囲内にある複数の波長のテラヘルツ波Ｔｅを送信して、立体装置の内部空間Ｒの計測領域Ｒｍを通過させて、計測領域Ｒｍから反射してくる複数の波長のテラヘルツ波Ｔｒを受信して複数の波長のテラヘルツ波Ｔｒの強度を検出して、この複数の波長のテラヘルツ波Ｔｒの強度の変化量と、予め設定された複数のガス成分Ｒｊのそれぞれにおけるテラヘルツ波の各波長での変化特性と比較して、計測領域Ｒｍの温度Ｔｍ及び複数のガス成分Ｇｊの濃度Ｄｍｊを算出する方法である。
【００７１】
また、この立体装置の温度及び濃度計測方法において、温度及び濃度センサ１１に対向して計測領域Ｒｍを挟んで反射部材１３を配置し、温度及び濃度センサ１１の送信ユニット１１ａから送信された複数の波長のテラヘルツ波Ｔｅの反射部材１３からの反射波Ｔｒを温度及び濃度センサ１１の受信ユニット１１ｂで受信し、この受信した複数の波長のテラヘルツ波Ｔｒの強度の変化量と、予め設定された複数のガス成分Ｇｊのそれぞれにおけるテラヘルツ波の各波長での変化特性と比較して、計測領域Ｒｍの温度Ｔｍ及び複数のガス成分Ｇｊの濃度Ｄｍｊを算出する。
【００７２】
上記の構成の立体装置の温度及び濃度計測装置及び立体装置の温度及び濃度計測方法によれば、立体装置の内部空間Ｒの温度を算出するために、複数の波長のテラヘルツ波Ｔｅを送信する。図５に示すように、この複数の波長のテラヘルツ波Ｔｅの強度の変化量（減衰量又は吸収量）と温度の関係が顕著に表れる波長（又は、周波数＝波の位相速度／波長）と、テラヘルツ波の強度の変化量とガス成分の濃度の関係が顕著に表れる波長は異なる場合があり、この波長の使い分けにより、温度Ｔｍとガス成分Ｇｊの濃度Ｄｍｊを算出することができる。なお、このテラヘルツ波の強度は、テラヘルツ波の振幅と密接な関係を持っているので、テラヘルツ波の振幅を検出又は算出できる場合はこの振幅を強度の代用としてもよい。
【００７３】
そして、この計測領域Ｒｍの温度Ｔｍに起因するテラヘルツ波の変化量と、計測領域Ｒｍの温度Ｔｍ及びガス成分Ｇｊの濃度Ｄｍｊとの関係は、ガス成分Ｇｊのそれぞれに対して、図５に示すように、予め実験等により求めておき、それぞれのガス成分Ｇｊ別に較正データを作成しておく。このガス成分Ｇｊ別の較正データに基づいて、温度計測時において、検出した物理量の変化量から、計測領域Ｒｍの温度Ｔｍ及びガス成分Ｇｊの濃度Ｄｍｊを算出する。なお、使用するテラヘルツ波の波長の数としては、２つ以上で、上限は実用的に定まり、計算能力を考えると１００程度であるが、通常は２〜８程度が考えられる。
【００７４】
なお、温度Ｔｍ及びガス成分Ｇｊの濃度Ｄｍｊの一方を固定した場合には、その一方（例えば、ガス成分Ｇｊの濃度Ｄｍｊ）を固定した較正データにより、その一方の変化による他方（例えば、温度Ｔｍ）への影響を考慮することなく他方を容易に算出できる。この場合は、温度Ｔｍ及びガス成分Ｇｊの濃度Ｄｍｊの両方ではなく、一方を測定する装置又は他方を測定する装置となる。
【００７５】
そして、この波長（周波数）と温度Ｔとガス成分(分子)Ｇｊの濃度Ｄｊの関係は、ガス成分によって異なるので、複数のガス成分Ｇｊに関して、それぞれの計測用の周波数における強度の変化量と温度Ｔとガス成分Ｇｊの濃度Ｄｊの関係を利用することにより、それぞれのガス成分Ｇｊ毎に温度Ｔｍ及びガス成分Ｇｊの濃度Ｄｍｊを算出することができる。これらを、ガス成分Ｇｊ毎に算出された温度Ｔｍが同じになるという前提条件下で互いに照合することで、各ガス成分Ｇｊの濃度Ｄｍｊも確定することができる。
【００７６】
言い換えれば、それぞれのガス成分Ｇｊ毎に、テラヘルツ波の減衰量を検出することにより、受信ユニット１１ｂで検出されたテラヘルツ波の強度から算出される温度Ｔｍに対して、ガス成分Ｇｊ毎に、ガス成分Ｇｊの濃度Ｄｍｊを考慮した温度補正をすることが可能となり、温度Ｔｍの計測精度をより高めることができる。なお、使用するガス成分Ｇｊの数（ｊ）としては、２つ以上で、上限は実用的に定まり、燃焼ガスに含まれるガス成分（分子）Ｇｊとしては、内燃機関の場合には窒素、酸素、二酸化炭素、一酸化炭素、二酸化窒素、一酸化窒素、水、未燃ＨＣ等の２〜８のガス成分が考えられる。
【００７７】
そして、本発明に係る実施の形態の燃焼機関の温度及び濃度計測装置は、上記の立体装置の温度及び濃度計測装置を備えて、燃焼機関の気筒内の温度及びガス成分の濃度を計測するように構成される。
【００７８】
また、本発明に係る実施の形態の燃焼機関１は、図４に示すように、上記の燃焼機関の温度及び濃度計測装置１０を備えて構成される。特に、燃焼機関１が内燃機関の場合には、温度及び濃度センサ１１により検出されたピストン２の温度から、燃料噴射装置５に対する指示信号を変更することで、例えば、温度上昇を検知したときに燃料噴射量を低減する指示をする等で、ピストン２への熱負荷を低減することが可能となる。
【００７９】
そして、上記の構成の立体装置の温度及び濃度計測装置１０、燃焼機関の温度及び濃度計測装置、燃焼機関及び立体装置の温度及び濃度計測方法によれば、電波の透過性と光の直進性を有する、電波と光の中間の波長を持つ、周波数が０．０１ＴＨｚ〜１０ＴＨｚの範囲の複数の波長のテラヘルツ波Ｔｅを活用することにより、燃焼ガスを内包したエンジン１の気筒の内部空間Ｒのように、複数のガス成分Ｇｊを内包した立体装置の内部空間Ｒの局所的な領域Ｒｍの温度Ｔｍ及び各ガス成分Ｇｊの濃度Ｄｍｊを、従来技術よりも低コストかつ高精度で計測でき、その結果、立体装置の内部空間Ｒの温度Ｔｍ及びガス成分Ｇｊの濃度Ｄｍｊを低コストかつ高精度で計測することができる。
【００８０】
また、精度良く位置を特定することが難しい発光強度を検出した蛍光体の存在位置ではなく、テラヘルツ波Ｔｅの照射及び反射の位置を制御できるので、テラヘルツ波Ｔｅ、Ｔｒが通過する計測領域Ｒｍの位置における温度Ｔｍ及びガス成分Ｇｊの濃度Ｄｍｊを計測できるので、計測位置が正確となる。
【００８１】
従って、電波の透過性と光の直進性を有する、電波と光の中間の波長を持つ、周波数が０．０１ＴＨｚ〜１０ＴＨｚの範囲のテラヘルツ波Ｔｅを活用することにより、燃焼ガスを内包したエンジン１の気筒の内部空間Ｒのように、複数のガス成分Ｇｊを内包した立体装置の内部空間Ｒの局所的な領域Ｒｍの温度Ｔｍ及びガス成分Ｇｊの濃度Ｄｍｊを、従来技術よりも低コストかつ高精度で計測でき、その結果、立体装置の内部空間Ｒの温度Ｔｍ及びガス成分Ｇｊの濃度Ｄｍｊを低コストかつ高精度で計測することができる。
【００８２】
この構成では、従来技術のレーザー誘起蛍光法のように、蛍光体とレーザー光を使用しないので、レーザー光学系の設備が不要になる上に、立体装置の内部空間の各領域の温度及びガス成分の濃度を計測するための多数の部品を配置する必要がなくなるので、装置が簡略化され、低コスト化することができる。
【００８３】
また、立体装置の内部空間Ｒに蛍光体を混入しないので、通常のエンジンの気筒の内部空間等でも使用できるようになり、本発明の温度及び濃度計測装置１０を採用できる内部空間は限定されなくなる。その上、蛍光体の失活現象により温度の推定が難しくなることもない。
【符号の説明】
【００８４】
１  エンジン
２  ピストン（計測領域の反対側の部材）
２ｂ  燃焼室（キャビテイ）
３  シリンダ
４  シリンダヘッド
１０  立体装置の温度及び濃度計測装置
１１  温度及び濃度センサ
１１ａ  送信ユニット
１１ａａ  ガラス基板
１１ａｂ  テラヘルツ波発信兼検出素子
１１ａｃ  レーザー光線発信素子
１１ｂ  受信ユニット
１１ｃ  半導体基板
１１ｄ  支持体
１２  温度及び濃度算出装置
１３  反射部材
Ｄｊ、Ｄｍｊ  ガス成分の濃度
Ｇｊ  ガス成分
Ｌ  レーザー光線
Ｒ  内部空間
Ｒｍ  計測領域
Ｔ  テラヘルツ波
Ｔｅ  テラヘルツ波（発信波）
Ｔｍ、Ｔｍｊ  計測領域の温度
Ｔｒ  テラヘルツ波（反射波）
【図１】
2017191017.tif 000003
【図２】
2017191017.tif 000004
【図３】
2017191017.tif 000005
【図４】
2017191017.tif 000006
【図５】
2017191017.tif 000007
【図６】
2017191017.tif 000008