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技術 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

出願人 いすゞ自動車株式会社
発明者 柿木宗篤
出願日 2015年3月25日 (6年2ヶ月経過) 出願番号 2015-062319
公開日 2016年10月13日 (4年8ヶ月経過) 公開番号 2016-180734
状態 未査定
技術分野 光学的手段による材料の調査、分析
主要キーワード 内包領域 立体装置 検知プローブ 失活現象 変形機構 空気制御装置 電磁波受信 計測場所
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (17)

課題

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ガス成分の濃度を、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

複数の送信アンテナ21a、21bから立体装置の内部に向けて周波数が0.01THz〜10THzの範囲内にある少なくとも2つ以上の波長テラヘルツ波TW1a、TWa2、TWb1、TWb2を同時に送信して、それぞれが干渉する干渉領域ITからのテラヘルツ波SWa、SWbを受信して、この受信したテラヘルツ波SWa、SWbの強度に基づいて、前記干渉領域の少なくとも2波長以上のテラヘルツ波SWa、SWbのそれぞれに対しての温度TIa、Tib、及び、干渉領域ITのガス成分Gの濃度DIを算出し、これらの温度TIa、Tibから干渉領域ITの温度TIを算出する。

概要

背景

内燃機関気筒シリンダ)の内の燃焼状況は、この内燃機関を搭載した車両の燃費排気ガス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分布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分布の計測は、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行われるのが一般的である。

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。

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。

第2の問題として、この計測手法は、気筒内にレーザー光を照射するためのレーザー光学系設備や、この照射による蛍光体の発光強度を検出するための複数のセンサやこれらのセンサに接続する配線等の設備を気筒に設ける必要があるため、部品を多数配置する構造となり、装置が複雑化してしまう。また、その結果については、センサの数によって精度が異なり、センサ数が少ないと温度の分布が詳細に得られない。

第3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。

第4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。

一方、温度測定ではなく、粒子状物質濃度測定に関するものであるが、ディーゼルエンジン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)。

概要

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ガス成分の濃度を、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。複数の送信アンテナ21a、21bから立体装置の内部に向けて周波数が0.01THz〜10THzの範囲内にある少なくとも2つ以上の波長テラヘルツ波TW1a、TWa2、TWb1、TWb2を同時に送信して、それぞれが干渉する干渉領域ITからのテラヘルツ波SWa、SWbを受信して、この受信したテラヘルツ波SWa、SWbの強度に基づいて、前記干渉領域の少なくとも2波長以上のテラヘルツ波SWa、SWbのそれぞれに対しての温度TIa、Tib、及び、干渉領域ITのガス成分Gの濃度DIを算出し、これらの温度TIa、Tibから干渉領域ITの温度TIを算出する。

目的

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、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分布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を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

ガス成分を内包した立体装置の内部空間の温度を計測する温度及び濃度計測装置において、複数の送信アンテナから前記立体装置の前記内部空間に向けて周波数が0.01THz〜10THzの範囲内にある少なくとも2つ以上の波長テラヘルツ波を同時に送信して、前記立体装置の前記内部空間に前記複数の送信アンテナから送信された同じ波長のテラヘルツ波同士が干渉する干渉領域を発生させる送信ユニットを備えると共に、当該立体装置の温度及び濃度計測装置を制御する制御装置が、前記干渉領域から伝搬してくる物理量又は前記干渉領域における物理量から前記干渉領域の温度及びガス成分の濃度を算出する温度及び濃度算出手段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

前記干渉領域からのテラヘルツ波を受信してテラヘルツ波の強度を検出する受信センサを備えた受信ユニットを備えて、該受信ユニットを、前記送信ユニットに対向させて配置して、または、テラヘルツ波の送信方向の側面方向に配置すると共に、前記温度及び濃度算出手段が、前記受信センサで検出したテラヘルツ波の強度に基づいて、前記干渉領域の少なくとも2つ以上の波長のテラヘルツ波のそれぞれに対しての温度、及び、前記干渉領域のガス成分の濃度を算出し、これらの温度から前記干渉領域の温度を算出する第1温度及び濃度算出手段である請求項1に記載の立体装置の温度及び濃度計測装置。

請求項3

前記受信ユニットを前記送信ユニットに対向させて配置する際に、前記受信センサを前記送信アンテナからの複数のテラヘルツ波の進行方向の中心となる方向に配置する請求項2に記載の立体装置の温度及び濃度計測装置。

請求項4

前記送信ユニットにおいて、同じ波長のテラヘルツ波を送信する複数の前記送信アンテナを第1回転軸から離れた位置に配置して、前記送信ユニットを前記第1回転軸回りに回転可能に構成すると共に、前記受信ユニットにおいて、前記受信センサを第2回転軸から離れた位置に配置して前記受信ユニットを前記第2回転軸回りに、前記送信ユニットの回転に同期させて回転可能に構成する請求項1〜3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5

テラヘルツ波同士が干渉した干渉波を検出する検知プローブを備えて、前記検知プローブを前記内部空間を移動可能に構成し、前記温度及び濃度算出手段が、前記検知プローブで検知した干渉波の強度に基づいて、前記干渉領域の少なくとも2つ以上の波長のテラヘルツ波のそれぞれに対しての温度、及び、前記干渉領域のガス成分の濃度を算出し、これらの温度から前記干渉領域の温度を算出する第2温度及び濃度算出手段である請求項1に記載の立体装置の温度及び濃度計測装置。

請求項6

電磁波発生源と、該電磁波発生源から発信されて前記干渉領域を通過した電磁波を受信する電磁波受信センサとを備えて、前記電磁波発生源を前記送信ユニットと前記受信ユニットとは異なる位置に配置すると共に、前記電磁波発生源と前記干渉領域と前記電磁波受信センサが直線上に並ぶように、前記電磁波発生源と前記電磁波受信センサを移動可能に構成し、さらに、前記温度及び濃度算出手段が、前記電磁波受信センサで干渉波により相互作用を受けた電磁波を受信し、この受信した電磁波の強度に基づいて、前記干渉領域の少なくとも2つ以上の波長のテラヘルツ波のそれぞれに対しての温度、及び、前記干渉領域のガス成分の濃度を算出し、これらの温度から前記干渉領域の温度を算出する第3温度及び濃度算出手段である請求項1に記載の立体装置の温度及び濃度計測装置。

請求項7

前記受信ユニットが、前記複数の送信アンテナのテラヘルツ波の各送信方向に配置され、前記送信アンテナが送信したテラヘルツ波を受信する副受信センサを備えると共に、前記制御装置が、前記副受信センサで検出したテラヘルツ波の強度に基づいて、前記送信アンテナの送信方向を補正する送信方向補正手段を備えて構成される請求項1〜6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。

請求項8

予め設定された少なくとも2つ以上の波長の温度測定用周波数、及び予め設定された濃度測定用周波数におけるそれぞれのテラヘルツ波の強度に基づいて、前記干渉領域の温度及びガス成分の濃度を算出する請求項1〜5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

前記送信ユニットにおいては前記送信アンテナの位置を変更可能、かつ、前記送信アンテナの送信方向を変更可能に設けると共に、前記受信ユニットにおいては前記副受信センサの位置を移動可能に設けた請求項2〜8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10

前記送信ユニットにおいて、前記送信アンテナを面状に配置すると共に、前記受信ユニットにおいて、前記受信センサを面状に配置した請求項2〜9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11

請求項1〜10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用いて、燃焼機関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12

請求項11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13

ガス成分を内包した立体装置の内部空間の温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、複数の送信アンテナから前記立体装置の前記内部空間に向けて周波数が0.01THz〜10THzの範囲内にある少なくとも2つ以上の波長のテラヘルツ波を同時に送信して、テラヘルツ波同士が干渉する干渉領域を発生させて、前記干渉領域から伝搬してくる物理量又は前記干渉領域における物理量から前記干渉領域の温度及び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14

前記干渉領域からのテラヘルツ波を受信して、この受信したテラヘルツ波の強度に基づいて、前記干渉領域の少なくとも2つ以上の波長のテラヘルツ波のそれぞれに対しての温度、及び、前記干渉領域のガス成分の濃度を算出し、これらの温度から前記干渉領域の温度を算出する請求項13に記載の立体装置の温度及び濃度計測方法。

請求項15

前記干渉領域の干渉波を検知して、前記干渉波の強度に基づいて、前記干渉領域の少なくとも2波長以上のテラヘルツ波のそれぞれに対しての温度、及び、前記干渉領域のガス成分の濃度を算出し、これらの温度から前記干渉領域の温度を算出する請求項13に記載の立体装置の温度及び濃度計測方法。

請求項16

前記干渉領域を通過する電磁波を発生させて、前記干渉領域を通過した電磁波の強度に基づいて、前記干渉領域の少なくとも2波長以上のテラヘルツ波のそれぞれに対しての温度、及び、前記干渉領域のガス成分の濃度を算出し、これらの温度から前記干渉領域の温度を算出する請求項13に記載の立体装置の温度及び濃度計測方法。

技術分野

0001

本発明は、ガス成分を内包した立体装置の内部空間の温度分布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排気ガス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分布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分布の計測は、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行われ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、気筒内にレーザー光を照射するためのレーザー光学系設備や、この照射による蛍光体の発光強度を検出するための複数のセンサやこれらのセンサに接続する配線等の設備を気筒に設ける必要があるため、部品を多数配置する構造となり、装置が複雑化してしまう。また、その結果については、センサの数によって精度が異なり、センサ数が少ないと温度の分布が詳細に得られない。

0006

第3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。

0007

第4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。

0008

一方、温度測定ではなく、粒子状物質濃度測定に関するものであるが、ディーゼルエンジン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)。

先行技術

0009

特開2011−58374号公報

発明が解決しようとする課題

0010

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4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、内部空間の温度分布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。

0011

更に、本発明者は、波長が異なるテラヘルツ波の場合には、同じ波長のテラヘルツ波が干渉してできる干渉領域から伝搬してくる物理量又は干渉領域における物理量から算出した干渉領域の温度の誤差範囲推定範囲)が異なることを見出し、この少なくとも2つ以上の波長の異なるテラヘルツ波を使用することで、干渉領域の測定温度の誤差範囲をより絞り込むことができて温度計測の精度を高めることができるとの知見を得た。

0012

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、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分布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を提供することにある。

課題を解決するための手段

0013

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、ガス成分を内包した立体装置の内部空間の温度を計測する温度及び濃度計測装置において、複数の送信アンテナから前記立体装置の前記内部空間に向けて周波数が0.01THz〜10THzの範囲内にある少なくとも2つ以上の波長のテラヘルツ波を同時に送信して、前記立体装置の前記内部空間に前記複数の送信アンテナから送信された同じ波長のテラヘルツ波同士が干渉する干渉領域を発生させる送信ユニットを備えると共に、当該立体装置の温度及び濃度計測装置を制御する制御装置が、前記干渉領域から伝搬してくる物理量又は前記干渉領域における物理量から前記干渉領域の温度及びガス成分の濃度を算出する温度及び濃度算出手段を備えて構成される。

0014

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。

0015

すなわち、立体装置の内部空間の温度分布を算出するために、少なくとも2個の送信アンテナを用いて複数方向から、少なくとも2つ以上の波長のテラヘルツ波を同時に送信する。この別々の送信アンテナから送信された同じ波長の複数のテラヘルツ波は、干渉波が発生するように、送信アンテナの位相を揃えて送信するか、N×λ(N:正数、λ:波長)だけ遅れた波を送信できるようにする。また、これらの送信アンテナから送信する、少なくとも2つ以上の波長のテラヘルツ波のそれぞれの信号強度、位相については、制御装置で制御する。

0016

なお、テラヘルツ波の強度の変化と温度の関係が顕著に表れる周波数と、テラヘルツ波の強度の変化とガス成分の濃度の関係が顕著に表れる周波数は異なる場合があり、この周波数の使い分けにより、温度とガス成分の濃度を算出することができる。

0017

また、ガス成分の濃度やテラヘルツ波の吸収度合を検出することにより、受信センサ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、ガス成分の濃度の変化やテラヘルツ波の吸収度合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、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。

0018

そして、この干渉領域の温度に起因する、テラヘルツ波や電磁波等の物理量の変化量と、干渉領域の温度及びガス成分の濃度との関係は、それぞれ予め実験等により求めておき、較正データを作成しておく。こ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、干渉領域の温度及びガス成分の濃度を算出する。

0019

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または他方を測定する装置となる。

0020

更に、周波数が0.01THz〜10THzの範囲で波長が異なるテラヘルツ波の場合には、干渉領域から伝搬してくる物理量又は干渉領域における物理量から算出した干渉領域の温度の誤差範囲(推定範囲)が異なるので、少なくとも2つ以上の波長のテラヘルツ波を使用して干渉領域の温度を測定することにより、干渉領域の測定温度の誤差範囲をより絞り込むことができ、温度計測の精度をより高めることができる。さらに、少なくとも2つ以上の波長のテラヘルツ波を同時に使用して干渉領域の温度を同時刻に測定することにより、干渉領域の温度の時間的な変化量を考慮しなくて済むので、温度計測の精度をより高めることができる。

0021

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、位置を制御できる干渉領域の位置の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。

0022

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の範囲の少なくとも2つ以上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、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分布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。

0023

上記の立体装置の温度及び濃度計測装置において、前記干渉領域からのテラヘルツ波を受信してテラヘルツ波の強度を検出する受信センサを備えた受信ユニットを備えて、該受信ユニットを、前記送信ユニットに対向させて配置して、または、テラヘルツ波の送信方向の側面方向に配置すると共に、前記温度及び濃度算出手段が、前記受信センサで検出したテラヘルツ波の強度に基づいて、前記干渉領域の少なくとも2つ以上の波長のテラヘルツ波のそれぞれに対しての温度、及び、前記干渉領域のガス成分の濃度を算出し、これらの温度から前記干渉領域の温度を算出する第1温度及び濃度算出手段であるように構成される。

0024

つまり、これらの複数のテラヘルツ波が干渉する干渉領域を温度及び濃度計測の対象領域として、この干渉領域からの少なくとも2つ以上の波長のテラヘルツ波を受信センサで同時に受信して、この受信センサで受信した信号強度(ガス内包領域を通過した透過強度)を、制御装置内の演算機構で、理論的に計算されるテラヘルツ波干渉による値と比較し、干渉領域において吸収された信号強度から、干渉領域、つまり、立体装置の内部空間の局所的な領域の少なくとも2つ以上の波長のテラヘルツ波のそれぞれに対しての温度、及び、前記干渉領域のガス成分の濃度を算出し、これらの温度から前記干渉領域の温度を算出する。

0025

なお、この干渉領域の温度及びガス成分の濃度に起因する、テラヘルツ波の強度の変化量と、干渉領域の温度及びガス成分の濃度との関係は、それぞれ予め実験等により求めておき、較正データを作成しておく。この較正データに基づいて、温度及びガス成分の濃度計測時において、受信センサで検出したテラヘルツ波の強度から、干渉領域の少なくとも2つ以上の波長のテラヘルツ波のそれぞれに対しての温度、及び、前記干渉領域のガス成分の濃度を算出し、これらの温度から前記干渉領域の温度を算出する。

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。

0028

上記の立体装置の温度及び濃度計測装置において、前記受信ユニットを前記送信ユニットに対向させて配置する際に、前記受信センサを前記送信アンテナからの複数のテラヘルツ波の進行方向の中心となる方向に配置すると、テラヘルツ波の干渉領域でレイリー散乱が発生する場合は、干渉領域の前方に配置した受信センサのみで、干渉領域の散乱光を検出することが可能になるので、このような場合には、前記受信センサを前記送信アンテナからの複数のテラヘルツ波の進行方向の中心となる方向に配置して、一つの受信センサで受信することができるので、このような配置が好ましい。なお、この「前方」とは送信アンテナから送信されるテラヘルツ波の進行方向の先側、言い換えれば、送信方向の先側のことをいう。

0029

また、上記の立体装置の温度及び濃度計測装置で、前記送信ユニットにおいて、同じ波長のテラヘルツ波を送信する複数の前記送信アンテナを第1回転軸から離れた位置に配置して、前記送信ユニットを前記第1回転軸回りに回転可能に構成すると共に、前記受信ユニットにおいて、前記受信センサを第2回転軸から離れた位置に配置して前記受信ユニットを前記第2回転軸回りに、前記送信ユニットの回転に同期させて回転可能に構成すると、この送信ユニットと受信ユニットの同期した回転により、同じ波長のテラヘルツ波により発生する干渉領域を第1回転軸及び第2回転軸の周りに移動することが容易にできるようになる。これにより、高速の計測に対応することが可能になり、温度分布の測定速度を高めることができる。

0030

あるいは、上記の立体装置の温度及び濃度計測装置において、テラヘルツ波同士が干渉した干渉波を検出する検知プローブを備えて、前記検知プローブを前記内部空間を移動可能に構成し、前記温度及び濃度算出手段が、前記検知プローブで検知した干渉波の強度に基づいて、前記干渉領域の少なくとも2つ以上の波長のテラヘルツ波のそれぞれに対しての温度、及び、前記干渉領域のガス成分の濃度を算出し、これらの温度から前記干渉領域の温度を算出する第2温度及び濃度算出手段であるように構成する。

0031

この構成によれば、干渉領域における温度及びガス成分の濃度の変化を、干渉領域に位置移動できる検知プローブで検出した干渉波の変化、即ち、検出された干渉波の周波数スペクトラム周波数別の強度の変化として捉えて、温度及びガス成分の濃度を局所計測することができるようになる。

0032

なお、この干渉領域の温度及びガス成分の濃度に起因する干渉波の強度の変化量と、干渉領域の温度との関係は、それぞれ予め実験等により求めておき、較正データを作成しておく。この較正データに基づいて、温度及び濃度計測時において、検知プローブで検出した干渉波の強度から、干渉領域の少なくとも2波長以上のテラヘルツ波のそれぞれに対しての温度及びガス成分の濃度を算出し、これらの温度から前記干渉領域の温度を算出する。また、この干渉波の強度は、干渉波の振幅と密接な関係を持っているので、干渉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。

0033

この構成では、上記と同様蛍光体とレーザー光を使用しないので、装置が簡略化され、低コスト化することができ、また、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。

0034

あるいは、上記の立体装置の温度及び濃度計測装置において、電磁波発生源と、該電磁波発生源から発信されて前記干渉領域を通過した電磁波を受信する電磁波受信センサとを備えて、前記電磁波発生源を前記送信ユニットと前記受信ユニットとは異なる位置に配置すると共に、前記電磁波発生源と前記干渉領域と前記電磁波受信センサが直線上に並ぶように、前記電磁波発生源と前記電磁波受信センサを移動可能に構成し、さらに、前記温度及び濃度算出手段が、前記電磁波受信センサで干渉波により相互作用を受けた電磁波を受信し、この受信した電磁波の強度に基づいて、前記干渉領域の少なくとも2つ以上の波長のテラヘルツ波のそれぞれに対しての温度、及び、前記干渉領域のガス成分の濃度を算出し、これらの温度から前記干渉領域の温度を算出する第3温度及び濃度算出手段であるように構成される。

0035

この構成によれば、干渉領域における温度とガス成分の濃度の変化を、この干渉領域を通過した電磁波における、電場の変化、または、磁場の変化、即ち、検出された電磁波の周波数スペクトラムや周波数別の強度の変化として捉えて、温度及びガス成分の濃度を局所計測することができるようになる。

0036

なお、この干渉領域の温度及びガス成分の濃度に起因する電磁波の強度の変化量と、干渉領域の温度及びガス成分の濃度との関係は、それぞれ予め実験等により求めておき、較正データを作成しておく。この較正データに基づいて、温度及び濃度計測時において、電磁波受信センサで検出した電磁波の強度から、干渉領域の温度及びガス成分の濃度を算出する。なお、この電磁波の強度は、電磁波の振幅と密接な関係を持っているので、電磁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。

0037

この構成では、上記と同様蛍光体とレーザー光を使用しないので、装置が簡略化され、低コスト化することができ、また、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。

0038

また、上記の立体装置の温度計測装置において、前記受信ユニットが、前記複数の送信アンテナのテラヘルツ波の各送信方向に配置され、前記送信アンテナが送信したテラヘルツ波を受信する副受信センサを備えると共に、前記制御装置が、前記副受信センサで検出したテラヘルツ波の強度に基づいて、前記送信アンテナの送信方向を補正する送信方向補正手段を備えて構成されると、干渉領域の位置をより精度よく設定できるようになる。

0039

また、上記の立体装置の温度計測装置において、前記温度及び濃度算出手段が、予め設定された少なくとも2つ以上の波長の温度測定用周波数、及び予め設定された濃度測定用周波数におけるそれぞれのテラヘルツ波の強度に基づいて、前記干渉領域の温度及びガス成分の濃度を算出するように構成されると、次のような効果がある。

0040

一般に、テラヘルツ波の強度の変化と温度及びガス成分の濃度の関係は、周波数が0.01THz〜10THzの範囲内で一様ではなく、テラヘルツ波の強度の変化と温度及びガス成分の濃度の関係がそれぞれ顕著に表れる特定の周波数があるので、0.1THz〜10THzの範囲内の周波数帯域におけるスペクトラムの比較で温度を算出する場合よりも、このそれぞれの特定の周波数のテラヘルツ波の強度に関して行う方が、温度及びガス成分の濃度の計測精度が高くなる。

0041

また、少なくとも2つ以上の波長の温度測定用周波数を用いることにより、それぞれの温度測定用周波数における測定温度の誤差範囲(推定範囲)が異なるので、両方が重なりあった温度範囲を採用することにより、測定温度をより絞り込むことができるようになる。

0042

また、この構成により、周波数が0.01THz〜10THzの範囲内にあるテラヘルツ波の全ての周波数で、テラヘルツ波の強度と温度及び濃度の関係の較正データを作成する必要がなくなり、テラヘルツ波の強度と温度及び濃度の関係が顕著に表れる特定の周波数のみに関して、それぞれの較正データを作成しておけばよいので、また、温度及びガス成分の濃度の算出も、このそれぞれの特定の周波数のテラヘルツ波の強度に関して行えばよいので、温度及びガス成分の濃度の算出の演算量を減少できる。この特定の周波数に対応する2つ以上の波長のテラヘルツ波を採用する。

0043

また、上記の立体装置の温度及び濃度計測装置において、前記送信ユニットにおいては前記送信アンテナの位置を変更可能、かつ、前記送信アンテナの送信方向を変更可能に設けると共に、前記受信ユニットにおいては前記副受信センサの位置を移動可能に設けて構成すると、送信アンテナの送信方向の変更により、立体装置の内部における干渉領域の位置を容易に変更できるようになる。また、受信ユニットにおいて、副受信センサを送信アンテナからのテラヘルツ波を十分に受信できる位置に移動することにより、干渉領域の位置を精度よく設定及び把握することができるようになる。

0044

また、上記の立体装置の温度及び濃度計測装置で、前記送信ユニットにおいて、前記送信アンテナを面状に配置すると共に、前記受信ユニットにおいて、前記受信センサと前記副受信センサを面状に配置して構成すると、送信アンテナを直線上に配置すると共に受信センサと副受信センサを直線状に配置した構成よりも、より広い干渉領域を設けることができ、より広い範囲における温度計測が可能となる。

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用いて、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

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を計測する立体装置の温度及び濃度計測方法において、複数の送信アンテナから前記立体装置の前記内部空間に向けて周波数が0.01THz〜10THzの範囲内にある少なくとも2つ以上の波長のテラヘルツ波を同時に送信して、テラヘルツ波同士が干渉する干渉領域を発生させて、前記干渉領域から伝搬してくる物理量又は前記干渉領域における物理量から前記干渉領域の温度及び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。

0048

そして、上記の立体装置の温度及び濃度計測方法において、前記干渉領域からのテラヘルツ波を受信して、この受信したテラヘルツ波の強度に基づいて、前記干渉領域の少なくとも2つ以上の波長のテラヘルツ波のそれぞれに対しての温度、及び、前記干渉領域のガス成分の濃度を算出し、これらの温度から前記干渉領域の温度を算出する。

0049

あるいは、上記の立体装置の温度及び濃度計測方法において、前記干渉領域の干渉波を検知して、前記干渉波の強度に基づいて、前記干渉領域の少なくとも2波長以上のテラヘルツ波のそれぞれに対しての温度、及び、前記干渉領域のガス成分の濃度を算出し、これらの温度から前記干渉領域の温度を算出する。

0050

あるいは、上記の立体装置の温度及び濃度計測方法において、前記干渉領域を通過する電磁波を発生させて、前記干渉領域を通過した電磁波の強度に基づいて、前記干渉領域の少なくとも2波長以上のテラヘルツ波のそれぞれに対しての温度、及び、前記干渉領域のガス成分の濃度を算出し、これらの温度から前記干渉領域の温度を算出する。

0051

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

0052

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の範囲の少なくとも2つ以上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、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分布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

0053

本発明に係る第1の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、及び、燃焼機関における、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1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。
立体装置の温度及び濃度計測装置の制御装置の構成を示す図である。
受信センサで受信したテラヘルツ波の強度と温度との関係をテラヘルツ波の波長別に示す較正データの例を示す図である。
本発明に係る第2の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、及び、燃焼機関における、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5の側面図である。
本発明に係る第3の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、及び、燃焼機関における、温度及び濃度計測装置の構成を模式的に示す図である。
送信アンテナの位置の変化と干渉領域の位置との関係を模式的に示す図である。
送信アンテナの位置の変化と干渉領域の位置との関係を模式的に示す別の図である。
送信アンテナの送信方向の変化と干渉領域の位置との関係を模式的に示す図である。
送信アンテナと受信センサを共に回転可能に構成した場合の構成を模式的に示す図である。
送信ユニットにおける、送信アンテナの移動機構の構成を模式的に示す図である。
受信ユニットにおける、受信センサと受信センサの移動機構の構成を模式的に示す図である。
送信ユニットにおける、送信アンテナの十字形の配置を示す図である。
受信ユニットにおける、受信センサと副受信センサの十字形の配置を示す図である。
送信ユニットと受信ユニットにおけるチップ状のアンテナ、受信センサの配置の例を示す図である。

実施例

0054

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。

0055

図1に示すように、本発明に係る第1の実施の形態の立体装置の温度及び濃度計測装置1Aは、エンジン(内燃機関:燃焼機関)10の気筒内の温度分布及びガス成分Gの濃度を測定する燃焼機関の温度及び濃度計測装置として説明する。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1A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10は、本発明の実施の形態の燃焼機関でもある。

0056

そして、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)1は、エンジン10のガス成分Gを内包した気筒(立体装置)10aの内部空間の温度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1Aにおいて、図1図2に示すように、送信ユニット20と、受信ユニット22を気筒10aを間に挟んで、互いに対向させて気筒10aの壁面に設けて構成する。

0057

この送信ユニット20では、複数(図2では、2つの波長のテラヘルツ波に対してそれぞれ2個)の送信アンテナ21aa、21ab、21ba、21bbから気筒10aの内部空間に向けて周波数が0.01THz〜10THzの範囲内にある2つの波長のテラヘルツ波TWa1、TWa2、TWb1、TWb2を送信する。つまり、一方の波長に対応する複数(図2では2個)の送信アンテナ21aa、21abにより、一方の波長のテラヘルツ波TWa1、TWa2を送信すると同時に、他方の波長に対応する複数(図2では2個)の送信アンテナ21ba、21bbから他方の波長のテラヘルツ波TWb1、TWb2を送信する。

0058

そして、気筒10aの内部空間にこの複数の送信アンテナ21aa、21ab、21ba、21bbから送信された、同じ波長のテラヘルツ波TWa1、TWa2同士と、このテラヘルツ波TWa1、TWa2の波長とは異なる波長を持つ、同じ波長同士のテラヘルツ波TWb1、TWb2同士を干渉させて干渉領域ITを発生させる。この両方の波長のテラヘルツ波TWa1、TWa2、TWb1、TWb2は、同じ場所でそれぞれの波長で同時に干渉し合うように、同時刻に同じ場所で交叉するように送信する。

0059

この送信アンテナ21aa、21ab、21ba、21bbの数は、干渉領域IT、及び、干渉後のテラヘルツ波SWa、SWbを発生させることができればよいので、それぞれの波長に対して、それぞれ2個以上あればよい。この送信アンテナの数が多いとこ送信アンテナ群から2個以上の送信アンテナを選択的に使用することで、干渉領域ITの位置を変更したり、干渉後のテラヘルツ波SWa、SWbの強度を高めて、温度及び濃度計測の精度を高めたりすることができるようになる。

0060

なお、図2では、2つの波長を1対の送信アンテナ21aa、21abと1対の送信アンテナ21ba、21bbで別々に送信する構成としたが、2つの波長を同じ送信アンテナ21aa、21abで送信する構成としてもよい、この場合には、送信アンテナ21aa、21ab、21ba、21bbの数(例えば2波長×2個=4個)は、干渉を発生させるための個数(例えば2個)に減少させることができる。

0061

また、図2の構成では、受信センサ23の設置個数は1個であるが、複数個(2個以上)設置してもよい。受信センサ23の個数を増やして、テラヘルツ波SWa、SWbの強度BIa、BIbの測定数を増やすことで温度及びガス成分Gの濃度の測定精度を高めることができるが、その分、受信ユニット22が大型化することになる。

0062

なお、受信センサ23の設置個数は1個とする場合には、この受信ユニット22を送信ユニット20に対向させて配置する際に、受信ユニット22を送信アンテナ21aa、21ab、21ba、21bbからの複数のテラヘルツ波TWa1、TWa2、TWb1、TWb2の進行方向の中心となる方向に配置する。これにより、テラヘルツ波TWa1、TWa2、TWb1、TWb2の干渉領域ITでレイリー散乱が発生する場合は、干渉領域ITの前方に配置した受信センサ23のみで、干渉領域ITの散乱光を検出することが可能になるので、このような場合には、受信センサ23を送信アンテナ21aa、21ab、21ba、21bbからの複数のテラヘルツ波TWa1、TWa2、TWb1、TWb2の進行方向の中心となる方向に配置して、一つの受信センサ23で受信できるような配置が好ましい。なお、この「前方」とは、送信アンテナ21aa、21ab、21ba、21bbから送信されるテラヘルツ波TWa1、TWa2、TWb1、TWb2の進行方向の先側、言い換えれば、送信方向の先側のことをいう。

0063

また、この図2の構成では、送信アンテナ21aa、21ab、21ba、21bbと同じ数の副受信センサ24aa、24ab、24ba、24bbを備えているが、この副受信センサ24aa、24ab、24ba、24bbは、複数の送信アンテナ21aa、21ab、21ba、21bbのテラヘルツ波TWa1、TaW2、TWb1、TbW2の各送信方向に配置され、送信アンテナ21aa、21ab、21ba、21bbが送信したテラヘルツ波TWa1、TaW2、TWb1、TbW2を受信し、送信アンテナ21aa、21ab、21ba、21bbからのテラヘルツ波TWa1、TWa2、TWb1、TWb2をそれぞれ十分に受信できる位置に副受信センサ24aa、24ab、24ba、24bbを移動することにより、干渉領域ITの位置を精度よく設定し、また、この位置を温度TI及びガス成分Gの濃度DIの計測位置として把握する。

0064

また、この温度及び濃度計測装置1Aを制御する制御装置40が設けられ、図3に示すように、この制御装置40Aは、温度及び濃度算出手段41である第1温度及び濃度算出手段41Aと、送信方向補正手段42と、第1温度補正手段43を備えて構成される。この第1温度及び濃度算出手段41Aは、受信センサ23で検出したテラヘルツ波SWa、SWbの強度に基づいて、干渉領域ITの少なくとも2つ以上の波長のテラヘルツ波のそれぞれに対しての温度TI1、及び、干渉領域ITのガス成分Gの濃度DIを算出し、これらの温度TIa、TIbから干渉領域ITの温度TIを算出する手段である。

0065

送信方向補正手段42は、副受信センサ24aa、24ab、24ba、24bbで検出したテラヘルツ波TWa1、TWa2、TWb1、TWb2の強度に基づいて、送信アンテナ21aa、21ab、21ba、21bbの送信方向を補正する手段である。送信方向補正手段42により、副受信センサ24aa、24ab、24ba、24bbの位置とセンサの方向と、これらの副受信センサ24aa、24ab、24ba、24bbで検出したテラヘルツ波TWa1、TWa2、TWb1、TWb2の強度に基づいて、送信アンテナ21aa、21ab、21ba、21bbの送信方向を補正することにより、干渉領域の位置をより正確に設定することができる。

0066

また、第1温度補正手段43は、第1温度及び濃度算出手段41Aで算出された温度TIa、TIbを、ガス成分Gの濃度DIに基づいて補正する手段である。

0067

第1温度補正手段43の代わりに、受信センサ23で検出したテラヘルツ波SWa、SWbの強度に基づいて、第1温度及び濃度算出手段41Aで算出された温度TIa、TIbを補正する第2温度補正手段44を備えて構成してもよい。この第2温度補正手段44では、ガス成分Gの濃度DIを算出せずに、直接、テラヘルツ波SWa、SWbの強度の減少量で、第1温度及び濃度算出手段41Aで算出された温度TIa、TIbを補正する。この方法でも、第1温度補正手段43で補正するのと同様の効果を得ることができる。

0068

このテラヘルツ波SWの強度BIの変化と温度TIの関係が顕著に表れる周波数と、テラヘルツ波SWの強度BIの変化とガス成分Gの濃度DIの関係が顕著に表れる周波数は異なる場合があるので、この周波数の使い分けにより、温度TIとガス成分Gの濃度DIを算出することができる。また、ガス成分Gの濃度DIを検出することにより、受信センサ23で検出されたテラヘルツ波SWa、SWbの強度BIa、BIbから算出される温度TIa、TIbに対して、ガス成分Gの濃度DIの変化を考慮した温度補正をすることが可能となり、温度TIa、TIbの計測精度をより高めることができる。

0069

なお、この干渉領域ITの温度TIに起因するテラヘルツ波SWの強度BIの変化量と、干渉領域ITの温度TIとの関係は、それぞれ予め実験等により求めておき、較正データを作成しておく。この較正データに基づいて、温度及び濃度計測時において、受信センサ23で検出したテラヘルツ波SWの強度BIから、干渉領域ITの温度TIを算出する。同様に、テラヘルツ波SWの強度の変化量とガス成分Gの濃度DIとの関係もそれぞれ予め実験等により求めておき、較正データを作成しておく。この較正データに基づいて、温度及び濃度計測時において、受信センサ23で検出したテラヘルツ波SWの強度BIから、干渉領域ITのガス成分Gの濃度DI又は補正量を算出する。

0070

この温度及び濃度計測装置1Aを用いた、本発明の第1の実施の形態の立体装置の温度及び濃度計測方法は、ガス成分Gを内包した気筒10aの内部空間の温度TI及びガス成分Gの濃度DIを計測する温度及び濃度計測方法であり、この温度及び濃度計測方法では、複数の送信アンテナ21aa、21ab、21ba、21bbから気筒10aの内部空間に向けて周波数が0.01THz〜10THzの範囲内にある少なくとも2つ以上の波長のテラヘルツ波TWa1、TWa2、TWb1、TWb2を同時に送信して、テラヘルツ波TWa1、TWa2、TWb1、TWb2同士が干渉する干渉領域ITを発生させて、この干渉領域ITからの干渉後のテラヘルツ波SWa、SWbを受信センサ23で受信して、この受信したテラヘルツ波SWa、SWbの強度BIa、BIbに基づいて、干渉領域ITの温度TI及びガス成分Gの濃度DIを算出する方法である。

0071

一般に、テラヘルツ波の強度の変化と温度及びガス成分の濃度の関係は、周波数が0.01THz〜10THzの範囲内で一様ではなく、テラヘルツ波の強度の変化と温度及びガス成分の濃度の関係がそれぞれ顕著に表れる特定の周波数があるので、0.01THz〜10THzの範囲内の周波数帯域におけるスペクトラムの比較で温度及びガス成分の濃度を算出する場合よりも、このそれぞれの特定の周波数のテラヘルツ波の強度BIに関して行う方が、温度TI及びガス成分Gの濃度DIの計測精度が高くなる。

0072

そこで、この特定の周波数を温度測定用周波数として予め設定しておき、この温度測定用周波数におけるテラヘルツ波の強度BIに対して、基準となる温度T0でテラヘルツ波SWの強度B0に対して、各温度TIにおける干渉後のテラヘルツ波SWの強度BIとの関係を求めて、較正データを作成しておく。

0073

この較正データは、強度比(BI/B0)の対数をとると、図4に示すように、テラヘルツ波A(TWa)、B(TWb)、C(TWc)別に示すように、この強度比(BIa/B0a)(BIb/B0b)(BIc/B0c)の対数と温度TIa、TIb、TIcは略直線関係になる。この強度BIと温度TIの相関関係は、予め実験等により制御マップまたは制御式の形で、制御装置40に記憶させておく。また、ガス成分Gの濃度DIに関しても同様である。

0074

そして、実際の測定においては、温度測定用周波数における干渉後のテラヘルツ波SWの強度BIを検出して、図4に示すような較正データを基に温度TIを算出する。これにより、周波数が0.01THz〜10THzの範囲内にあるテラヘルツ波の全ての周波数で、テラヘルツ波TWの強度BIと温度TIの関係の較正データを作成する必要がなくなり、テラヘルツ波TWの強度BIと温度TIの関係が顕著に表れる特定の周波数のみに関して、較正データを作成しておけばよく、また、温度TIの算出も、この特定の周波数のテラヘルツ波TWの強度BIに関して行えばよいので、温度TIの算出の演算量を著しく減少できる。また、ガス成分Gの濃度DIに関しても同様である。

0075

そして、本発明においては、少なくとも2つ以上の波長A、Bの温度測定用周波数を用いることにより、それぞれの温度測定用周波数における測定温度TIa、TIbの誤差範囲(推定範囲)RTIa、RTIbが異なるので、両方の誤差範囲RTIa、RTIbが重なりあった温度範囲RTIを採用することにより、測定温度TIをより絞り込むことができるようになる。また、測定温度としては、測定温度TIaと測定温度TIbの平均温度、又は重み付き平均温度を測定温度TIとする。なお、この重み付き平均の重み係数としては、構成データにおける「温度」と「強度比の対数」との間の相関係数を基に決めることができる。つまり、相関係数が1に近く、温度TIの誤差範囲RTIの幅が狭い方の重み係数を大きくする。

0076

一方、3つ以上の例えば、波長A、B、Cで測定した場合に、3つの誤差範囲RTIa、RTIb、RTIcが重なりあう場合は、その3つが重なり合った温度範囲RTIを採用し、測定温度としては、測定温度TIaと測定温度TIbと測定温度TIcの平均温度、又は重み付き平均温度を測定温度TIとすればよいが、3つの誤差範囲RTIa、RTIb、RTIcの全部が重なりあう部位分がなく、例えば、図4の誤差範囲RTIcのように他の誤差範囲RTIa、RTIbから外れる場合は、この誤差範囲RTIcを外し、また、測定温度としての平均温度、又は重み付き平均温度の計算からも外すことが好ましい。

0077

なお、送信ユニット20と受信ユニット22には、0.01THz〜10THzの範囲内の周波数の全域、即ち、この範囲の周波数帯域を一回の一連の送信で行うことができ、また、受信センサ23で受信したテラヘルツ波TWの強度BIを一度に検出できるものがあるが、この場合は、この一度に検出できた周波数毎の強度の中から少なくとも2つ以上の波長の温度測定用周波数の強度BIa、BIbを抽出して用いればよい。

0078

そして、この受信センサ23で受信する干渉後のテラヘルツ波SWa、SWbは、干渉領域ITの温度特性を反映して受信センサ23に入射すると考えられるので、この強度BIa、BIbから算出された温度TIa、TIbは干渉領域ITの温度TIに相当するものと考えることができる。

0079

また、この送信アンテナ21aa、21ab、21ba、21bbから送信するテラヘルツ波TWa1、TWa2、TWb1、TWb2は、干渉領域ITが発生するように、互いの位相差を干渉領域ITで同位相になって干渉後のテラヘルツ波の強度BIa、BIbが大きくなるよう位相を制御することで、送信ユニット20の送信エネルギーを小さくでき、これにより送信ユニット20の容量を小さくでき小型化できる。

0080

上記の構成の立体装置の温度及び濃度測定装置1A及び立体装置の温度及び濃度測定方法によれば、気筒10a内の温度分布を算出するために、少なくとも2つ以上(i)の波長のテラヘルツ波TWiに対して、複数(j)方向からテラヘルツ波TWijを送信して、これらの複数のテラヘルツ波TWijが干渉する干渉領域ITを温度計測の対象領域として、この干渉領域ITからのテラヘルツ波SWiを受信して、この受信したテラヘルツ波SWiの強度BIiを検出して温度TIiを算出して、これらの温度TIiから温度TIを算出することにより、干渉領域IT、つまり、気筒10a内の局所的な領域における温度TI及びガス成分Gの濃度DIを計測することができる。

0081

また、この立体装置の温度及び濃度測定方法によれば、気筒10a内に蛍光体を混入しないので、通常のエンジン10で使用できるようになり、本発明の温度及び濃度計測装置1Aを採用できるエンジン10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。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、位置を制御できる干渉領域ITの位置の温度TI及びガス成分Gの濃度DIを計測できるので、計測位置が正確となる。

0082

更に、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、気筒10a内の各領域の温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

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の範囲の少なくとも2つ以上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10の気筒10aの内部の局所的な領域の温度TI及びガス成分Gの濃度DI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、気筒10aの内部の温度分布及び濃度を低コストかつ高精度で計測することができる。

0084

さらに、副受信センサ24aa、24ab、24ba、24bbにより、テラヘルツ波TWa1、TWa2、TWb1、TWb2による干渉領域ITの位置を正確に設定及び把握することができるので、気筒10aの内部空間の局所的な領域の温度TI及びガス成分Gの濃度DIを高精度で計測することができ、その結果、気筒10aの内部空間の温度分布及び濃度を高精度で算出することができる。

0085

次に、本発明に係る第2の実施の形態の立体装置の温度及び濃度計測装置について説明する。図6及び図7に示すように、この第2の実施の形態の立体装置の温度及び濃度計測装置1Bは、第1の実施の形態の立体装置の温度及び濃度計測装置1Aでは、受信センサ23で検出した干渉領域ITからのテラヘルツ波SWa、SWbの強度に基づいて、第1温度及び濃度算出手段41Aで温度TIを算出するのに対して、テラヘルツ波TWa1、TWa2同士、テラヘルツ波TWb1、TWb2同士が干渉した干渉波SWa、SWbを検出する検知プローブ51を移動機構52で内部空間を移動可能に構成して備え、この検知プローブ51で検知した干渉波SWa、SWbの強度に基づいて、第2温度及び濃度算出手段41Bで干渉領域ITの少なくとも2つ以上の波長のテラヘルツ波SWa、SWbのそれぞれに対しての温度TIa、TIb、及び、干渉領域ITのガス成分の濃度DIを算出し、これらの温度TIa、TIbから干渉領域ITの温度TIを算出する。

0086

つまり、受信センサ23の代わりに、テラヘルツ波TWa1、TWa2同士、テラヘルツ波TWb1、TWb2が干渉した干渉波SWa、SWbを検出する検知プローブ51を備えて、この検知プローブ51を内部空間を移動する移動機構52に載置して、内部空間の全域を移動できるように構成する。これにより、計測時には、副受信センサ24aa、24ab、24ba、24bbで干渉領域ITの位置を設定及び把握して、この干渉領域ITに検知プローブ51を移動させて、干渉波SWa、SWbを検出する。

0087

また、この立体装置の温度及び濃度計測装置1Bを制御する制御装置40Bが、検知プローブ61で検知した干渉波SWa、SWbの強度に基づいて、干渉領域ITの少なくとも2つ以上の波長のテラヘルツ波SWa、SWbのそれぞれに対しての温度TIa、TIb、及び、干渉領域TIのガス成分の濃度を算出し、これらの温度TIa、TIbから干渉領域ITの温度TIを算出する温度TIを算出する温度及び濃度算出手段41である第2温度及び濃度算出手段41Bを備えて構成される。つまり、図3で、第1温度算出手段41Aの代わりに第2温度及び濃度算出手段41Bを用いる。

0088

これにより、干渉領域ITにおける温度TIとガス成分Gの濃度DIの変化を、干渉波SWの強度の変化、即ち、干渉波SWの周波数スペクトラムや周波数別の強度の変化として捉えて、温度TI及びガス成分Gの濃度DIの局所計測をする。

0089

つまり、この第2の実施の形態の立体装置の温度及び濃度計測方法は、複数の送信アンテナ21a、21bから立体装置の内部空間に向けて周波数が0.01THz〜10THzの範囲内にある少なくとも2波長以上のテラヘルツ波TWa1、TWa2、TWb1、TWb2を送信して、同じ波長のテラヘルツ波TWa1、TWa2同士と、同じ波長のテラヘルツ波TWb1、TWb2同士とがそれぞれ干渉する干渉領域ITを発生させると共に、この干渉領域ITの干渉波SWa、SWbを検知して、この干渉波SWa、SWbの強度に基づいて、干渉領域ITの少なくとも2波長以上のテラヘルツ波SWa、SWbのそれぞれに対しての温度TIa、TIb、及び、干渉領域ITのガス成分Gの濃度DIを算出し、これらの温度TIa、TIbから干渉領域ITの温度TIを算出する方法である。

0090

次に、本発明に係る第3の実施の形態の立体装置の温度及び濃度計測装置について説明する。図7に示すように、この第3の実施の形態の立体装置の温度及び濃度計測装置1Cは、第1の実施の形態の立体装置の温度計測装置1Aでは、受信センサ23で検出した干渉領域ITからのテラヘルツ波SWa、SWbの強度に基づいて、第1温度及び濃度算出手段41Aで温度TIを算出するのに対して、電磁波発生源61から電磁波EWを発信し、テラヘルツ波TWa1、TWa2同士、テラヘルツ波TWb1、TWb2同士が干渉した干渉領域ITを通過して干渉領域ITの干渉波SWa、SWbにより相互作用を受けた電磁波EWを電磁波受信センサ62で受信して、温度及び濃度算出手段41である第3温度及び濃度算出手段41Cでこの受信した電磁波EWからテラヘルツ波の干渉波SWa、SWbの強度BIa、BIbを算出し、これらの強度BIa、BIbから干渉領域ITの少なくとも2つ以上の波長のテラヘルツ波SWa、SWbのそれぞれに対しての温度TIa、TIb、及び、干渉領域ITのガス成分の濃度DIを算出し、これらの温度TIa、TIbから干渉領域ITの温度TIを算出する。

0091

つまり、受信センサ23の代わりに、電磁波発生源61と、この電磁波発生源61から発信されて干渉領域ITを通過した電磁波EWを受信する電磁波受信センサ62とを備えて構成し、この電磁波発生源61は、送信ユニット20と受信ユニット22とは異なる位置に配置される。さらに、電磁波発生源61と電磁波受信センサ62をそれぞれレール63、64の上を移動できるように、さらには、電磁波受信センサ62の受信方向、即ち、センサの向きを変更することができるように構成する。

0092

これにより、計測時には、副受信センサ24aa、24ab、24ba、24bbで干渉領域ITの位置を設定及び把握して、電磁波発生源61と電磁波受信センサ62をレール63、64の上を移動させて、干渉領域ITと直線上に並べる。そして、電磁波発生源61と電磁波受信センサ62の位置と方向を確定させる。

0093

また、この立体装置の温度計測装置1Cを制御する制御装置40Cが、電磁波受信センサ62で干渉波SWa、SWbにより相互作用を受けた電磁波EWを受信し、この受信した電磁波EWからテラヘルツ波TWa1、TWa2、TWb1、TWb2の干渉波SWa、SWbの強度BIa、BIbを算出し、この強度BIa、BIbから干渉領域ITの少なくとも2つ以上の波長のテラヘルツ波SWa、SWbのそれぞれに対しての温度TIa、TIb、及び、干渉領域ITのガス成分の濃度DIを算出し、これらの温度TIa、TIbから干渉領域ITの温度TIを算出する第3温度及び濃度算出手段41Cを備えて構成される。つまり、図3で、制御装置40Bでは、第1温度及び濃度算出手段41Aの代わりに第3温度及び濃度算出手段41Cを備えて構成する。

0094

これにより、干渉領域ITにおける温度TIとガス成分Gの濃度DIの変化を、電場の変化、または、磁場の変化、即ち、電磁波の周波数スペクトラムや周波数別の強度の変化として捉えて、温度TI及びガス成分Gの濃度DIの局所計測をする。そして、この温度TIに対してガス成分Gの濃度DIを考慮した温度補正を行う。

0095

つまり、この第3の実施の形態の立体装置の温度及び濃度計測方法は、複数の送信アンテナ21aa、21ab、21ba、21bbから立体装置の内部空間に向けて周波数が0.01THz〜10THzの範囲内にあるテラヘルツ波TWa1、TWa2、TWb1、TWb2を送信して、テラヘルツ波TWa1、TWa2同士とテラヘルツ波TWb1、TWb2同士がそれぞれ干渉する干渉領域ITを発生させると共に、この干渉領域ITを通過する電磁波EWを発生させて、この干渉領域ITを通過した電磁波EWの強度に基づいて、干渉領域ITの少なくとも2つ以上の波長のテラヘルツ波SWa、SWbのそれぞれに対しての温度TIa、TIb、及び、干渉領域ITのガス成分の濃度DIを算出し、これらの温度TIa、TIbから干渉領域ITの温度TIを算出する方法である。

0096

次に、干渉領域ITの位置を変更する機構及び方法について、第1の実施の形態の立体装置の温度及び濃度計測装置1Aを例にして説明する。また、ここでは、図2に示すような、4個の送信アンテナ21aa、21ab、21ba、21bbと副受信アンテナ24aa、24ab、24ba、24bbで説明すると、図及び説明が複雑化するので、2個の送信アンテナ21a、21bと、2個の副受信センサ24a、24bに置き替えて説明する。

0097

この機構としては、送信ユニット20において、送信アンテナ21a、21bの位置を変更可能に、また、送信方向を変更可能に設ける。副受信センサ24a、24bの位置を移動可能に設けて構成する。

0098

そして、図8及び図9に示すように、送信ユニット20側では、送信アンテナ21a、21bを、送信ユニット20及び受信ユニット22の中心軸CAに対して距離L1、L2が等しくなるように線上Lを反対側に移動させて、送信アンテナ21a、21bの幅(L1+L2)を狭い状態から、広い状態に変更することで、中心軸CA上において、干渉領域ITの位置を任意に移動させることができる。

0099

つまり、受信側の副受信センサ24a、24bの間隔を狭め、送信側の送信アンテナ21a、21bの間隔を広げると、受信側に近い領域の情報が取得でき、逆に、受信側の副受信センサ24a、24bの間隔を広め、送信側の送信アンテナ21a、21bの間隔を狭めると、送信側に近い領域の情報が取得できる。

0100

従って、送信ユニット20側の送信アンテナ21a、21bと、受信ユニット22側の副受信センサ24a、24bを、中心軸CAに対して対称に移動させることで送信側の中心と受信側の中心を結ぶ中心軸CAの全ての位置の温度TIの状態とガス成分Gの濃度DIを検出することが可能となる。

0101

また、図10に示すように、送信アンテナ21a、21bの送信方向を変更することにより、中心軸CAから外れた位置に干渉領域ITを移動できる。これにより、気筒10aの内部における干渉領域ITの位置を容易に変更できる。つまり、送信側の送信アンテナ21a、21bの位置を固定し、受信側の副受信センサ24a、24bを中心軸CAに対して非対称に移動させることで、送信側中心と受信側中心を結ぶ中心軸CAから外れた位置での温度TIの検出も可能となる。

0102

また、図11に示すように、送信ユニット20において、同じ波長のテラヘルツ波TWa1、TWa2を送信する複数の送信アンテナ21a、21bを第1モータ回転機械)20aの第1回転軸20bから離れた位置に配置して、送信ユニット20を第1回転軸20b回りに回転可能に構成すると共に、受信ユニット22において、受信センサ23と副受信センサ24a、24bを第2モータ(回転機械)22aの第2回転軸22bから離れた位置に配置して受信ユニット22を第2回転軸22b回りに、送信ユニット20の回転に同期させて回転可能に構成する。

0103

これにより、送信ユニット20と受信ユニット22の同期した回転により、同じ波長のテラヘルツ波TWa1、TWa2により発生する干渉領域ITを第1回転軸20b及び第2回転軸22bの周りに移動することが容易にできるようになり、この回転速度を上げることと、干渉領域ITの位置を高速で変更できるので、高速の計測に対応することが可能になり、温度分布の測定速度を高めることができる。

0104

次に、この送信アンテナ21a、21b及び副受信センサ24a、24bの位置を移動するための機構及び方法、並びに、送信アンテナ21a、21bの送信方向を変更するための機構及び方法について説明する。

0105

図12に示すように、送信ユニット20においては、案内溝31を設けて、送信アンテナ21a、21bを載置した変形台32を案内溝31に沿って移動可能に構成すると共に、送信ユニット20の外縁側伸縮機構33を送信アンテナ21a、21bに接続して設けて構成する。

0106

この案内溝31は、変形台32を直線方向に移動可能にする構成であればよく、凹部以外にも、レールや条などでも良い。これらの移動方向拘束手段のいずれかにより1組の送信アンテナ21a、21bを、変形しないように移動させるために、中心軸CAに対して対称の位置になるように直線L上を移動するように構成する。

0107

また、変形台32は自身を傾斜させて、送信アンテナ21a、21bの送信方向を変更できればよく、例えば、ピエゾ素子、ばね、あるいは、電気素子電荷の反発による変形)を利用した周知の機構で、容易に構成できる。これらの傾斜手段により、2つの送信アンテナ21a、21bの送信方向の交わる領域、即ち、干渉領域ITを中心軸CAから離間した位置にすることができるように構成する。

0108

また、伸縮機構33は自身を伸縮させて、送信アンテナ21a、21bの位置を移動できればよく、例えば、ピエゾ素子、ばね、ねじ、歯車クランク機構等を利用した周知の機構で、容易に構成できる。図11の構成では、伸縮機構33が伸びると送信アンテナ21a、21bは中心軸CA側に移動するように構成されている。

0109

図13に示すように、受信ユニット22においては、案内溝34を設けて、受信センサ23と副受信センサ24a、24bを載置した変形台35を案内溝34に沿って移動可能に構成すると共に、受信ユニット22の外縁側に伸縮機構36を副受信センサ24a、24bに接続して設け、更に、受信センサ23と副受信センサ24a、24bとの間に伸縮機構37を設けて構成する。

0110

この案内溝34は、変形台35を直線方向に移動可能にする構成であればよく、凹部以外にも、レールや条などでも良い。これらの移動方向拘束手段のいずれかにより受信センサ23と副受信センサ24a、24bを中心軸CAを通る直線La上を移動するように構成する。

0111

また、変形台35は自身を傾斜させて、受信センサ23と副受信センサ24a、24bの受信方向を変更できればよく、例えば、ピエゾ素子、ばね、あるいは、電気素子(電荷の反発による変形)を利用した周知の機構で、容易に構成できる。これらの傾斜手段により、受信センサ23と副受信センサ24a、24bの受信方向を干渉領域ITの方向と、送信アンテナ21a、21bの方向に向けることができる。なお、受信センサ23と副受信センサ24a、24bの受信方向が広い場合には、この変形台35における変形機構は不要になり、受信センサ23と副受信センサ24a、24bを載置して、案内溝34内を移動できる台であればよいことになる。

0112

また、伸縮機構36、37は自身を伸縮させて、受信センサ23と副受信センサ24a、24bの位置を移動させて距離L3、L4を変更できればよく、例えば、ピエゾ素子、ばね、ねじ、歯車、クランク機構等を利用した周知の機構で、容易に構成できる。

0113

この構成により、送信アンテナ21a、21bの位置の移動と送信方向の変更に応じて、受信センサ23を干渉領域ITに対向した位置に移動でき、副受信センサ24a、24bをそれぞれ送信アンテナ21a、21bと対向した位置に移動できる。

0114

また、図14に示すように、送信ユニット20において、送信アンテナ21a、21bを例えば4つにして十字形等の面状に配置すると共に、図15に示すように、受信ユニット22においても、受信センサ23の周囲に副受信センサ24a、24bを例えば4つにして十字形等の面状に配置して構成することで、送信アンテナ21a、21bを直線上に配置すると共に受信センサ23と副受信センサ24a、24bを直線状に配置した構成よりも、一方向だけでなく、この一方向を含む面に垂直な方向にも干渉領域ITを移動できるようになるので、一層の面だけでなく多層の面を同時計測でき、言い換えれば、面を層状にした分布で吸収強度が検出可能となり、より広い範囲における温度計測が可能となる。

0115

また、図16に示すように、送信ユニット20、受信ユニット22の両方において、各ユニットに備えるアンテナ21、受信センサ23、24の個数をさらに増加させて、チップ状の受信センサを平面上に散開した配置にして構成する。この場合は、各アンテナ21、各センサ23、24はその位置を移動することなく、各アンテナ21と各センサ23、24の間でそれぞれが対向できるように構成する。なお、各アンテナと各センサが対向させる構成は、電荷を調整したり、あるいは、バネ等の弾性部材を用いたりする等の周知の構成を用いて、容易に、各アンテナと各センサの向きを変更できる。

0116

そして、測定時において、制御装置40Aにより、各センサ23、24の中から、干渉領域ITからのテラヘルツ波SWを取得する受信センサ23を選択して、このテラヘルツ波SWの強度BIを検出するようにすると、複数のセンサが受信センサ23の役割を果すことができるので、干渉領域ITの位置の移動に対応でき、効率よくテラヘルツ波SWの強度BIを検出することができる。従って、強度BIの計測精度を向上することができ、干渉領域ITの温度TI及びガス成分Gの濃度DIをより高精度で計測することができる。

0117

そして、本発明に係る実施の形態のエンジン(燃焼機関)は、図1図5図6に示すように、この立体装置の温度及び濃度計測装置1A、1B、1Cを備えて構成される。このエンジン10では、制御装置40A、40B、40Cと送信ユニット20の送信アンテナ21a、21b、受信ユニット22の各センサ23,24a、24bの間、制御装置40A、40B、40Cと燃料噴射装置11の間、空気制御装置50等の間を配線25、26、27、28、53、65、66で結び、各センサ23、24a、24b、51、61、62からの信号を取得後に制御装置40A、40B、40Cで演算した結果の温度分布及び濃度を、燃料噴射装置の制御装置に送り、燃料噴射装置に送られる信号を制御する。例えば、各センサ23、24a、24b、51、61、62から取得された値が予め設定された閾値を超えた時点で、燃料噴射装置を停止する信号を出して、エンジン10を保護する。

0118

上記の構成の立体装置の温度及び濃度計測装置1A、1B、1C、燃焼機関の温度及び濃度計測装置1A、1B、1C、燃焼機関10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の範囲の少なくとも2つ以上の波長のテラヘルツ波を活用することにより、燃焼ガスGを内包したエンジン10の気筒10aの内部の局所的な領域の温度TI及びガス成分Gの濃度DI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、気筒10aの内部の温度分布及び濃度を低コストかつ高精度で計測することができる。

0119

1A、1B、1C立体装置の温度及び濃度計測装置
10エンジン(内燃機関:燃焼機関)
10a気筒(立体装置)
10bピストン
11燃料噴射装置
20送信ユニット
21a、21aa、21ab、21b、21ba、21bb送信アンテナ
22受信ユニット
23受信センサ
24a、24aa、24ab、24b、24ba、24bb 副受信センサ
25、26、27、28、53、65、66配線
31、34案内溝
32、35変形台
33、36、37伸縮機構
40A、40B、40C制御装置
41A 第1温度及び濃度算出手段
41B 第2温度及び濃度算出手段
41C 第3温度及び濃度算出手段
42送信方向補正手段
43 第1温度補正手段
44 第2温度補正手段
51検知プローブ
52移動機構
61電磁波発生源
62電磁波受信センサ
CA中心軸
EG電磁波
IT干渉領域
Gガス成分
L、La 直線
SW、SWa、SWb干渉後のテラヘルツ波
TWa1、TWa2、TWb1、TWb2 テラヘルツ波

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