JP6816497B2 - 立体装置の温度計測装置、燃焼機関の温度計測装置、燃焼機関及び立体装置の温度計測方法 - Google Patents

Description

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を低コストかつ高精度で計測できる立体装置の温度計測装置、燃焼機関の温度計測装置、燃焼機関及び立体装置の温度計測方法に関する。

内燃機関の気筒（シリンダ）の内部の燃焼状況は、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強い影響を及ぼすため、気筒の内部の燃焼状況を制御する必要があり、そのためには、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。

これに関連して、内燃機関を制御するために、内燃機関の表面に設けた振動センサで検出した振動を予め設定した時間の間で周波数分析して筒内における共鳴現象の共鳴周波数を検出し、この検出した共鳴周波数により筒内温度を推定する内燃機関の制御装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、本発明者は、送信アンテナ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１つ以上の波長のテラヘルツ波を送信して、立体装置の内部空間の計測領域を通過させて、計測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から計測領域の温度及びガス成分の濃度を算出する立体装置の温度及び濃度計測方法を提案している（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１６−３５６８号公報 特開２０１６−１８０７２２号公報

ところで、このような立体装置の温度及び濃度計測方法では、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が、信号強度の大小を検出する際のノイズに起因して、温度の推定誤差が発生する可能性があることが分かったので、信号強度に影響を与えるノイズが存在する場合を想定して、より精度よく温度を計測できるようにしておくことが好ましい。

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、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を、ノイズに起因する温度の推定誤差を減少して高精度で計測することができる立体装置の温度計測装置、燃焼機関の温度計測装置、燃焼機関及び立体装置の温度計測方法を提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明の立体装置の温度計測装置は、ガス成分を内包した立体装置の内部空間の計測領域の温度を計測する温度計測装置において、送信アンテナから前記計測領域に向けて、０．０１ＴＨｚ〜１０ＴＨｚの範囲内にある基本周波数を含み、かつ、予め設定した周波数幅の範囲内で、周波数を変更させてテラヘルツ波を送信する送信ユニットを備えていると共に、前記計測領域を通過して伝搬してくるテラヘルツ波を受信する受信センサを備えた受信ユニットを備えており、当該立体装置の温度計測装置を制御する温度計測用制御装置が、前記計測領域を通過して伝搬してくるテラヘルツ波からその信号の透過量を測定し、この透過量が前記周波数幅の範囲内で最低となる信号の周波数を検出し、この検出した周波数から、前記計測領域の温度を算出する温度算出手段を備えて構成されていることを特徴とする。

また、上記の目的を達成するための本発明の燃焼機関の温度計測装置は、上記の立体装置の温度計測装置を用いて、燃焼機関の気筒内の温度を計測することを特徴とする。

また、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計測装置を備えると共に、前記燃焼機関の温度計測装置からの測定結果を入力して、当該内燃機関の気筒内の燃料噴射を制御するエンジン運転用制御装置を備えていることを特徴とする。

さらに、上記の目的を達成するための本発明の立体装置の温度計測方法は、ガス成分を内包した立体装置の内部空間の計測領域の温度を計測する温度計測方法において、送信アンテナから前記計測領域に向けて、０．０１ＴＨｚ〜１０ＴＨｚの範囲内にある基本周波数を含み、かつ、予め設定した周波数幅の範囲内で、周波数を変更させてテラヘルツ波を送信し、前記計測領域を通過して伝搬してくるテラヘルツ波を検出して、前記計測領域を通過して伝搬してくるテラヘルツ波からその信号の透過量を測定し、この透過量が前記周波数幅の範囲内で最低となる信号の周波数を検出し、この検出した周波数から、前記計測領域の温度を算出することを特徴とする方法である。

本発明の立体装置の温度計測装置、燃焼機関の温度計測装置、燃焼機関及び立体装置の温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の範囲の基本周波数の周辺を周波数を変えてスキャンニングして、信号透過量が周波数幅の範囲内で最低となる最小値のピークの周波数を検出することにより、非常に簡単な構成、演算及び制御により、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を、従来技術よりもノイズに起因する温度の推定誤差を減少して高精度で計測でき、その結果、立体装置の内部空間の温度分布を高精度で計測することができるようになる。

本発明に係る第１の実施の形態の立体装置の温度計測装置、燃焼機関の温度計測装置、及び、燃焼機関における、温度計測装置の構成を模式的に示す図である。 １対の送信アンテナと受信センサを用いた場合の図１の立体装置の温度計測装置の構成を模式的に示す図である。 温度計測用制御装置の構成を示す図である。 テラヘルツ波の信号の透過量と周波数との関係を温度別に示す図である。 最低値取得周波数と温度との関係を湿す図である。 第２の実施の形態の立体装置の温度計測装置の構成を模式的に示す図である。 図６の立体装置の温度計測装置において、４対の送信アンテナと受信センサを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。 信号透過量と温度との関係を示す図である。

以下、本発明に係る実施の形態の立体装置の温度計測装置、燃焼機関の温度計測装置、燃焼機関及び立体装置の温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。

なお、ここでは温度計測に絞っているが、テラヘルツ波の特定の周波数と特定の分子とが密接な関係があることが知られているので、基本周波数を各種の分子に対応させて選択することにより、測定対象のガスの温度のみでなく、ガス中の各種の分子の濃度も計測できる可能性がある。

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を測定する燃焼機関の温度計測装置として説明する。つまり、この第１の実施の形態の立体装置の温度計測装置１Ａは、本発明の実施の形態の燃焼機関の温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。

そして、この立体装置の温度計測装置(以下、温度計測装置という)１Ａ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１０ｃの温度Ｔｍを計測する温度計測装置であり、この温度計測装置１Ａにおいて、図１に示すように、気筒１０ａを間に挟んで、送信ユニット２０と受信ユニット２２を互いに対向させて気筒１０ａの壁面に設けている。つまり、この温度計測装置１Ａは、送信ユニット２０と受信ユニット２２と温度計測用制御装置４０を有して構成されている。

このエンジン１０では、図１に示すように、温度計測用制御装置４０と送信ユニット２０の間、温度計測用制御装置４０と受信ユニット２２の間、温度計測用制御装置４０とエンジン運転用制御装置５０の間、及び、エンジン運転用制御装置５０と燃料噴射装置１１の間をそれぞれ配線２５、２６、２７、２８で結び、受信ユニット２２からの信号を取得して温度計測用制御装置４０で演算して得られた温度分布から、エンジン運転用制御装置５０で燃料噴射装置１１の制御をするための信号を制御する。例えば、気筒１０ａ内の燃焼室（内部空間）１０ｃの局所的な温度Ｔｍが予め設定された閾値を超えた時点で、燃料噴射装置１１を停止する信号を出して、エンジン１０を保護する等である。

図２に、この送信ユニット２０と受信ユニット２２が、それぞれ一つの送信アンテナ２１と受信センサ２３を備えた構成を示す。この構成では、送信アンテナ２１から気筒（立体装置）１０ａの内部空間１０ｃに向けて、０．０１ＴＨｚ〜１０ＴＨｚの範囲内にある基本周波数ｆｂを含み、かつ、予め設定した周波数幅Δｆｍの範囲Ｒｍ内で、周波数ｆｍを変更させてテラヘルツ波Ｔｗを送信して、気筒１０ａの内部空間１０ｃの計測領域ＩＴを通過させる。また、受信センサ２３で計測領域ＩＴを通過したテラヘルツ波Ｔｗを受信してテラヘルツ波Ｔｗの信号の透過量ＰＩを検出する。

この計測領域ＩＴの空間範囲に関しては、計測領域ＩＴの長さの範囲の全体の温度に関係する温度を測定することになるが、計測領域ＩＴの範囲内であればほぼ同じ温度と考えられるので、問題は少ない。この計測領域ＩＴの径は、最小の限界値はテラヘルツ波Ｔｗの波長に関係し、０．１ｍｍφ程度であるが、送信アンテナ２１と受信センサ２３の送信部分と受信部分の大きさにも依存してしまうため、実用的には数ｍｍφ程度である。また、この計測領域ＩＴの長さは、送信アンテナ２１と受信センサ２３の間の距離となる。

そして、この温度計測装置１Ａを制御する温度計測用制御装置４０が設けられ、図３に示すように、この温度計測用制御装置４０は、基本周波数算出手段４１、周波数範囲算出手段４２、周波数変更手段４３、温度算出手段４４と、温度補正手段４５を備えて構成される。この温度算出手段４４は、透過量検出手段４４ａと透過量最小周波数算出手段４４ｂと温度換算手段４４ｃとを備えて構成される。

この基本周波数算出手段４１は、計測領域ＩＴの存在するガス成分Ｇの温度計測に適した周波数である基本周波数ｆｂを算出する手段である。ここで、幾つかの特定の組成のガス成分Ｇｓ（ｋ）（ｋ：ガス成分の組成のパターンの数）に対応する基本周波数ｆｂｓ（ｋ）（ｋ：ガス成分の組成のパターンの数）が予め設定されておく。そして、測定する組成のガス成分Ｇが特定のガス成分Ｇｓ（ｋ）と一致する場合には、その特定の組成のガス成分Ｇｓ（ｋ）に対応した基本周波数ｆｂｓ（ｋ）を基本周波数ｆｂとして選定する。また、測定する組成のガス成分Ｇが複数の特定の組成のガス成分Ｇｓ（ｋ）、Ｇｓ（ｋ＋１）の間にある場合は、その組成のガス成分Ｇに対して予め設定してある特定の組成のガス成分Ｇｓ（ｋ）、Ｇｓ（ｋ＋１）の補間によりその基本周波数ｆｂを算出する。

周波数範囲算出手段４２は、温度測定のための周波数ｆｍを順次変更して掃引する周波数の範囲Ｒｍを算出する手段である。ここでは、基本周波数ｆｂに対して変更する片幅の周波数である周波数幅Δｆｍを０．０５ＴＨｚ以上、より好ましくは０．１ＴＨ以上とする。つまり、この周波数ｆｍを変化させる範囲Ｒｍの大きさを基本周波数ｆｂに対してプラス・マイナス０．１ＴＨｚ、より好ましくはプラス・マイナス０．２ＴＨｚの範囲Ｒｍａを含むように設定する。また、温度計測に関係しない無駄な周波数の範囲での計測を避けるように、この周波数ｆｍを変化させる範囲Ｒｍの最大幅は、好ましくは０．５ＴＨｚ、より好ましくは０．３ＴＨｚにする。この周波数幅Δｆｍの最小値及び最大値はその数値を固定していてもよいが、それぞれを基本周波数ｆｂの○○％及び○○％の値など「％」で設定しておいてもよい。

また、周波数変更手段４３は、送信ユニット２０から送信するテラヘルツ波Ｔｗの周波数ｆｍを順次増加又は順次減少させて掃引する手段である。原則的には、送信順序に関係なく、周波数ｆｍの範囲Ｒｍ内全部をある程度の周波数間隔でテラヘルツ波Ｔｗを送信できればよいが、後のデータ処理を考えると漸増または漸減で掃引することが好ましい。

温度算出手段４４は、計測領域ＩＴを通過して伝搬してくるテラヘルツ波Ｔｗからその信号の透過量ＰＩを測定する透過量検出手段４４ａと、この透過量ＰＩが周波数幅Δｆｍの範囲Ｒｍ内で最低となる信号の周波数ｆｍｉｎを算出する透過量最小周波数算出手段４４ｂと、この最低となる信号の周波数ｆｍｉｎから、透過量が最小となる値を取得する周波数を「最低値取得周波数」とする。この予め設定した最低値取得周波数ｆｍｉｎと温度Ｔｍとの関係を示すマップデータ等を参照して、最低となる信号の周波数ｆｍｉｎを温度Ｔｍに換算する温度換算手段４４ｃとを備えて構成される。

この信号の透過量ＰＩと周波数ｆｍの関係に関しては、各温度Ｔｎにおける吸収量の最大ピーク時、言い換えれば、透過量の最小ピーク時の周波数ｆｍｉｎを計測しておき、この結果を温度Ｔｎ別に、図４に示すようなデータとして予め設定しておく。図４を見れば分かるように、この温度Ｔｎごとに最低となる信号の周波数ｆｍは変化している。そのため、この最低値取得周波数ｆｍｉｎと温度Ｔｍとの関係は、図５に示すような関係となり、最低値取得周波数ｆｍｉｎを検出できれば、温度Ｔｍに換算できることになる。

つまり、透過量ＰＩが周波数幅Δｆｍの範囲Ｒｍ内で最低となる信号の周波数ｆｍｉｎを検出し、この検出した周波数ｆｍｉｎから、計測領域ＩＴの温度Ｔｍを算出することができる。これにより、周波数の差における透過量の最低のピークの位置だけを追跡することで、その内部空間１０ｃの温度推定が可能となる。そのため、信号ノイズによる透過量のピーク値の変動を気にする必要がなくなる。

一方、図４から、各温度における最低の信号透過量ＰＩを計測して、温度Ｔｍと透過量比の対数を図８に示すようにグラフ化して、この信号透過量から温度推定する方法、即ち、信号透過量を計測して、透過量比から温度を推定する方法も考えられる。しかしながら、この方法では、信号透過量のピークの大きさは、温度によるばらつきが大きく、また、吸収量に関するノイズの影響があると、温度推定の誤差が大きくなる可能性がある。それに対して、上記のピークの周波数ｆｍｉｎと温度Ｔｍとの関係を用いる方法では、これらの問題を回避することができる。

また、温度補正手段４５は、基本周波数ｆｂを複数の周波数ｆｂｊ（ｊ＝ａ〜ｄ：基本周波数の数）とし、温度算出手段４４でこの複数の基本周波数ｆｂｊのそれぞれに対して温度Ｔｍｊを算出するとともに、これらの複数の算出された温度Ｔｍｊを用いて計測領域ＩＴの推定温度Ｔｍとする手段である。この温度の補正手段としては、追加される温度と平均温度を取ったり、予め実験等で設定されている重みを用いて重み付き平均を取ったりして補正する。なお、基本周波数ｆｂ１を一つとして、温度算出手段４４で、一つの温度Ｔｍ１を算出した場合は、特に補正することなく、その温度Ｔｍ１を計測した温度Ｔｍとする。

そして、一つの基本周波数ｆｂしか使用しない場合には、図２に示す送信アンテナ２１で、その基本周波数ｆｂの周辺の周波数幅Δｆｍの範囲Ｒｍ内で周波数ｆｍを変更させて掃引してテラヘルツ波Ｔｗを送信し、計測領域ＩＴを通過したテラヘルツ波Ｔｗを受信センサ２３で受信してテラヘルツ波Ｔｗの透過量ＰＩを検出する。

一方、基本周波数ｆｂとして、複数（少なくとも２以上：図６、図７では４つ）の基本周波数ｆｂｊを用いることにより、温度計測の精度をより高めることができる。この場合は、温度算出手段４４でこの複数の基本周波数ｆｂｊのそれぞれに対して温度Ｔｍｊを算出するとともに、これらの複数の算出された温度Ｔｍｊを平均する等して計測領域ＩＴの温度Ｔｍとする。

また、この場合に、図６に示す第２の実施の形態の立体装置の温度計測装置(以下、温度計測装置という)１Ｂのように、送信ユニット２０は、計測領域ＩＴの温度計測用に、テラヘルツ波Ｔｗｉ（ｉ＝ａ〜ｄ：送信アンテナと受信センサの組みの数）を、同時に複数組、それぞれ異なる計測領域ＩＴｉに送信して、受信ユニット２２が、それぞれの計測領域ＩＴｉから伝搬してくるテラヘルツ波Ｔｗｉを検出するように、幾つか（図６、図７では４つ）の送信アンテナ２１ｉと受信センサ２３ｉの組みを備えて構成される。

また、温度算出手段４４が、複数のテラヘルツ波Ｔｗｉのそれぞれに対して温度Ｔｍｉを算出し、これらの温度からそれぞれの計測領域ＩＴｉの温度Ｔｍｉを算出するように構成すると、非常に効率的に測定温度の計測精度を向上させることができる。

さらには、好ましくは、図７に示すように、送信ユニット２０において、単数又は複数の送信アンテナ２１ｉを回転軸２４ａｃから離れた位置に配置して、送信ユニット２０を回転軸２４ｂｃ（＝２４ａｃ）回りに回転可能に構成し、送信ユニット２０の回転により、計測領域ＩＴｉを移動させるように構成する。

より詳細には、図７に示すように、送信ユニット２０において、異なる波長のテラヘルツ波Ｔｗｉを送信する４つの送信アンテナ２１ｉを第１モータ（回転機械）２４ａの第１回転軸２４ａｃから等距離に配置して、送信ユニット２０を第１回転軸２４ａｃ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、４つの受信センサ２３ｉを第２モータ（回転機械）２４ｂの第２回転軸２４ｂｃから等距離に配置して受信ユニット２２を第２回転軸２４ｂｃ回りに、送信ユニット２０の回転に同期させて回転可能にする。

つまり、図７に示す構成では、送信ユニット２０においては送信アンテナ２１ｉの位置を変更可能に設けると共に、受信ユニット２２においては送信アンテナ２１ｉの位置の変更に同期させて受信センサ２３ｉの位置を移動可能に設ける。この場合には、位置の変更を回転運動にして、円状に送信アンテナ２１ｉと受信センサ２３ｉを配置することで、スペースの都合が許す限り、送信アンテナ２１ｉの数と受信センサ２３ｉの数を増加させることができる。なお、この図７の構成では回転運動としているが、直線往復運動にしてもよい。

また、送信アンテナ２１ｉと受信センサ２３ｉのそれぞれにおいて、特定の位置（例えば、送信ユニット２０の上死点）まで回転したときに、テラヘルツ波Ｔｗｉを順繰りに基本周波数ｆｂｉの周辺の周波数ｆｍｉを掃引する送信をするように構成してもよい。

この図７の構成では、この送信ユニット２０と受信ユニット２２の回転により、異なる波長のテラヘルツ波Ｔｗｉを送信する４つの送信アンテナ２１ｉを順繰りに同じ位置に配置して、気筒１０ａの内部空間の計測領域ＩＴに、テラヘルツ波Ｔｗｉを周波数掃引させることができる。これにより、異なる基本周波数ｆｂｉのテラヘルツ波Ｔｗｉが通過する計測領域ＩＴを気筒１０ａ内の同じ領域にすることが容易にできるようになる。

この送信ユニット２０と受信ユニット２２を回転させる方法を用いると、気筒１０ａの内部空間の計測領域ＩＴ（例えば、上死点の空間）における計測を高速化することが可能となる。つまり、回転速度を上げることと、それぞれの送信アンテナ２１ｉと受信センサ２３ｉの組の発信・受信を計測領域ＩＴｉごとに制御することで、この計測領域ＩＴｉでの温度計測を高速化することができる。

そして、計測領域ＩＴｉの温度計測に際しては、送信アンテナ２１ｉのそれぞれのテラヘルツ波Ｔｗｉの周波数ｆｂｉを同じにすれば、同時に計測領域ＩＴｉ全部に対して同じ基本周波数Ｔｗｉで計測した温度Ｔｍｉが算出されることになる。また、テラヘルツ波Ｔｗｉの周波数ｆｂｉを異ならせれば、互いのテラヘルツ波Ｔｗｉが干渉しない程度に時間をずらした状態で掃引して、計測領域ＩＴｉごとに別々の基本周波数Ｔｗｉで計測した温度Ｔｍｉが算出されることになる。

また、送信ユニット２０を回転させる一方で、受信ユニット２２を固定して構成し、この受信ユニット２２側における受信のタイミングを送信ユニット２０の回転に同期させることで、テラヘルツ波Ｔｗｉを送信している送信アンテナ２１ｉを判別して、その送信アンテナ２１ｉからのテラヘルツ波Ｔｗｉが通過する計測領域ＩＴｉの場所を特定するように構成すると、受信ユニット２２側が固定されている分だけ構成が単純化される。

なお、この送信アンテナ２１ｉと受信センサ２３ｉとが固定され、さらに、送信アンテナ２１ｉ同士、及び、受信センサ２３ｉ同士を十分に接近させて計測領域ＩＴｉを狭めて配置した場合には、この４つの波長のテラヘルツ波Ｔｗｉが通過する領域を計測領域ＩＴと考えて、この計測領域ＩＴ全体の温度推定を４つの基本周波数ｆｂｉで互いのテラヘルツ波Ｔｗｉが干渉しない程度に時間をずらした状態で、略同じ時刻で計測することができるようになり、温度Ｔｍの計測精度を高めることができる。

なお、送信ユニット２０と受信ユニット２２を固定した場合には、それぞれの送信アンテナ２１ｉと受信センサ２３ｉの組の発信・受信を高速化する必要があるが、回転させることで、送信アンテナ２１ｉと受信センサ２３ｉの組を待機させることができる。

さらに、送信ユニット２０と受信ユニット２２の組が、測定対象の周囲を旋回、又は、測定対象に沿って上下移動するように構成されていると、より迅速に温度測定を行うことができるようになる。

そして、本発明に係る実施の形態の燃焼機関の温度計測装置は、上記の立体装置の温度計測装置１Ａ、１Ｂを用いて、燃焼機関の気筒１０ａ内の温度Ｔｍを計測するように構成されている。また、本発明に係る実施の形態の燃焼機関は、上記の燃焼機関の温度計測装置を備えると共に、燃焼機関の温度計測装置からの計測結果を入力して、この内燃機関の気筒内の燃料噴射を制御するエンジン運転用制御装置５０を備えて構成されている。

この温度計測装置１Ａ、１Ｂを用いた、本発明の実施の形態の立体装置の温度計測方法は、ガス成分Ｇを内包した立体装置の内部空間１０ｃの温度ＴＩを計測する温度計測方法であり、この立体装置の温度計測方法は、送信アンテナ２１から内部空間１０ｃに向けて、０．０１ＴＨｚ〜１０ＴＨｚの範囲内にある基本周波数ｆｂを含む予め設定した周波数幅Δｆｂの範囲Ｒｍ内で周波数を変更させてテラヘルツ波Ｔｗを送信し、計測領域ＩＴから伝搬してくるテラヘルツ波Ｔｗを検出して、計測領域ＩＴから伝搬してくるテラヘルツ波Ｔｗからその信号の透過量ＰＩを測定し、この透過量ＰＩが周波数幅Δｆｂの範囲Ｒｍ内で最低となる信号の周波数ｆｍｉｎを検出し、この検出した周波数ｆｍｉｎから、計測領域ＩＴの温度Ｔｍを算出する。

この立体装置の温度計測方法では、温度計測用に一つの基本周波数ｆｂだけを使用する場合で、図２に示すような１組の送信アンテナ２１と受信センサ２３の構成では、一つの送信アンテナ２１で周波数幅Δｆｂの範囲Ｒｍ内で周波数を変更させてテラヘルツ波Ｔｗを送信し、また、一つの受信センサ２３でこれらの周波数が変更しているテラヘルツ波Ｔｗを順次受信して、この透過量ＰＩが最低となる信号の周波数ｆｍｉｎを検出し、この検出した周波数ｆｍｉｎから、計測領域ＩＴの温度Ｔｍを算出する。

一方、この立体装置の温度計測方法で、複数の基本周波数ｆｂ（ｊ）（ｊ：基本周波数の数）を用いる場合で、図２に示すような１組の送信アンテナ２１と受信センサ２３の構成では、一つの送信アンテナ２１で第１の基本周波数ｆｂｊに対して周波数幅Δｆｂの範囲Ｒｍ内で周波数を変更させてテラヘルツ波Ｔｗを送信し、また、一つの受信センサ２３でこれらの周波数が変化しているテラヘルツ波Ｔｗを順次受信して、この透過量ＰＩが最低となる信号の周波数ｆｍｉｎを検出し、この検出した周波数ｆｍｉｎから、計測領域ＩＴの温度Ｔｍ（ｊ）を算出する。この算出後に、次の第２の基本周波数ｆ（ｊ＋１）に対して同様なことを行い、計測領域ＩＴの温度Ｔｍ（ｊ＋１）を算出する。これを順次繰り返して、使用する基本周波数ｆｂ（ｊ）の数Ｊの温度Ｔｍ（ｊ）を算出する。そして、これらの温度Ｔｍ（ｊ）を平均したりして温度Ｔｍを選出する。

また、複数（少なくとも２以上：ここでは４個）の基本周波数ｆｂ（ｊ）を用いる場合で、図６に示すように、複数の送信アンテナ２１ｉ（ｉ＝ａ〜ｄ）にそれぞれが異なる複数（ここでは４つ）の基本周波数ｆｂ（ｉ）をそれぞれ割り当てて、各送信アンテナ２１ｉで、割り当てられた基本周波数ｆｂ（ｉ）に対して、周波数幅Δｆｂの範囲Ｒｍ内で周波数を変更させてテラヘルツ波Ｔｗｉを干渉しない程度に相互位置又は時間をずらした状態で送信して、この計測領域ＩＴからのテラヘルツ波Ｔｗｉを受信センサ２３ｉで受信して、この受信したテラヘルツ波Ｔｗｉの信号の透過量ＰＩｉの最低値取得周波数に基づいて、計測領域ＩＴの複数（４つ）の基本周波数ｆｂ（ｉ）のそれぞれに対しての温度Ｔｍ（ｉ）を算出し、これらの温度Ｔｍ（ｉ）を平均したりして計測領域ＩＴの温度Ｔｍを算出する。

上記の構成の立体装置の温度計測装置１Ａ、１Ｂ、燃焼機関の温度計測装置、燃焼機関及び立体装置の温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の範囲の基本周波数ｆｂの周辺で周波数を変えて掃引して、信号透過量ＰＩが周波数幅Δｆｂの範囲Ｒｍ内で最低となる最小値のピークの周波数ｆｍｉｎを検出することにより、非常に簡単な構成、演算及び制御により、燃焼ガスを内包したエンジンの気筒１０ａの内部空間１０ｃのように、ガス成分Ｇを内包した気筒１０ａの内部空間１０ｃの局所的な領域ＩＴの温度ＴＩを、従来技術よりもノイズに起因する温度の推定誤差を減少して高精度で計測でき、その結果、気筒１０ａの内部空間１０ｃの温度分布を高精度で計測することができるようになる。

１Ａ、１Ｂ 立体装置の温度計測装置
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
２１、２１ａ〜２１ｄ 送信アンテナ
２２ 受信ユニット
２３、２３ａ〜２３ｄ 受信センサ
２４ａ 第１モータ
２４ａｃ 第１回転軸
２４ｂ 第２モータ
２４ｂｃ 第２回転軸
２５、２６、２７、２８ 配線
４０ 温度計測用制御装置
４１ 基本周波数算出手段
４２ 周波数範囲算出手段
４３ 周波数変更手段
４４ 温度算出手段
４４ａ 透過量検出手段
４４ｂ 透過量最小周波数算出手段
４４ｃ 温度換算手段
４５ 温度補正手段
５０ エンジン運転用制御装置
ＩＴ 計測領域
Ｇ ガス成分
Ｔｗ、Ｔｗａ〜Ｔｗｄ テラヘルツ波

Claims (11)

1. ガス成分を内包した立体装置の内部空間の計測領域の温度を計測する温度計測装置において、
   送信アンテナから前記計測領域に向けて、０．０１ＴＨｚ〜１０ＴＨｚの範囲内にある基本周波数を含み、かつ、予め設定した周波数幅の範囲内で、周波数を変更させてテラヘルツ波を送信する送信ユニットを備えていると共に、
   前記計測領域を通過して伝搬してくるテラヘルツ波を受信する受信センサを備えた受信ユニットを備えており、
   当該立体装置の温度計測装置を制御する温度計測用制御装置が、前記計測領域を通過して伝搬してくるテラヘルツ波からその信号の透過量を測定し、この透過量が前記周波数幅の範囲内で最低となる信号の周波数を検出し、この検出した周波数から、前記計測領域の温度を算出する温度算出手段を備えて構成されていることを特徴とする立体装置の温度計測装置。
2. 前記温度計測制御手段が、前記基本周波数を複数の周波数とし、前記温度算出手段でこの複数の基本周波数のそれぞれに対して温度を算出するとともに、これらの複数の算出された温度を用いて前記計測領域の推定温度とする温度補正手段を備えて構成されている請求項１に記載の立体装置の温度計測装置。
3. 前記温度計測用制御装置が、周波数を変化させる範囲の大きさを前記基本周波数に対してプラス・マイナス０．０５ＴＨｚの範囲を含むように設定していることを特徴とする請求項１に記載の立体装置の温度計測装置。
4. 前記送信ユニットが、前記計測領域の温度計測用に、テラヘルツ波を、同時に複数組、それぞれ異なる前記計測領域に送信して、前記受信ユニットが、それぞれの前記計測領域から伝搬してくるテラヘルツ波を検出するように構成され、さらに、前記温度算出手段が、複数のテラヘルツ波のそれぞれに対して温度を算出し、これらの温度からそれぞれの前記計測領域の温度を算出するように構成されている請求項１〜３のいずれか１項に記載の立体装置の温度計測装置。
5. 前記送信ユニットにおいては前記送信アンテナの位置及び送信方向を変更可能に構成していると共に、前記受信ユニットにおいては前記送信アンテナの位置の変更に同期させて前記受信センサの位置を移動可能に構成している請求項１〜４のいずれか１項に記載された立体装置の温度計測装置。
6. 前記送信ユニットにおいて、単数又は複数の前記送信アンテナを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回転軸回りに回転可能に構成し、前記送信ユニットの回転により、前記計測領域を移動させるように構成されている請求項１〜５のいずれか１項に記載された立体装置の温度計測装置。
7. 前記受信ユニットを固定して構成し、前記受信ユニット側における受信のタイミングを前記送信ユニットの回転に同期させることで、テラヘルツ波を送信している前記送信アンテナを判別して、その送信アンテナのからのテラヘルツ波が通過する前記計測領域の場所を特定するように構成されている請求項６に記載された立体装置の温度計測装置。
8. 前記送信ユニットと前記受信ユニットの組が、測定対象の周囲を旋回、又は、測定対象に沿って上下移動するように構成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の立体装置の温度計測装置。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の立体装置の温度計測装置を用いて、燃焼機関の気筒内の温度を計測するように構成されている燃焼機関の温度計測装置。
10. 請求項９の燃焼機関の温度計測装置を備えると共に、前記燃焼機関の温度計測装置からの計測結果を入力して、当該内燃機関の気筒内の燃料噴射を制御するエンジン運転用制御装置を備えていることを特徴とする燃焼機関。
11. ガス成分を内包した立体装置の内部空間の計測領域の温度を計測する温度計測方法において、
    送信アンテナから前記計測領域に向けて、０．０１ＴＨｚ〜１０ＴＨｚの範囲内にある基本周波数を含み、かつ、予め設定した周波数幅の範囲内で、周波数を変更させてテラヘルツ波を送信し、前記計測領域を通過して伝搬してくるテラヘルツ波を検出して、前記計測領域を通過して伝搬してくるテラヘルツ波からその信号の透過量を測定し、この透過量が前記周波数幅の範囲内で最低となる信号の周波数を検出し、この検出した周波数から、前記計測領域の温度を算出することを特徴とする立体装置の温度計測方法。

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