JP2005265473A

JP2005265473A - 熱分布測定装置

Info

Publication number: JP2005265473A
Application number: JP2004075042A
Authority: JP
Inventors: Akira Sawada; 彰澤田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2004-03-16
Filing date: 2004-03-16
Publication date: 2005-09-29

Abstract

【課題】狭隘部における熱分布画像や通常画像を広範囲にわたって即時に測定できる熱分布計測装置を得る。
【解決手段】熱分布測定対象に近接又は接触する検出面が複数の検出要素からなり、当該各検出要素は光軸に対してそれぞれ交差する端面を有する光線誘導手段の端末から構成されている熱分布計測装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、光線誘導手段の端末を熱分布測定対象に近接又は接触して得られる赤外線から熱分布測定対象における熱分布を計測する熱分布測定装置に関する。

従来、例えば原子力発電プラントの狭隘部の撮影を行う場合、特許文献１に示されたように狭隘部にミラーなどを挿入し、光学的に狭隘部の画像を計測していた。そのため、ミラーの稼動機構が必要となり装置が大型になり、かつ、可動部を有するため、極端に隙間が小さい場合には撮影が困難であった。

また、特許文献２に示された方法では、狭隘部の画像を光プローブによって誘導し撮影するものであるが、視野角が狭く撮像できる範囲が限られており、視野角以外の場所の撮影のためには、光プローブの方向を変える必要があり、手動で方向を変えたり、ワイヤーの張力を変化させたりする必要があった。

さらに、特許文献３の例では、狭隘部に挿入したミラーを連続的に移動させることによって、広範囲の熱分布画像を測定する方法であるが、ミラー駆動のためのアクチュエータなどが必要である。

一方、以上述べた狭隘部で熱分布画像を測定する場合、ミラーなどを駆動すると、その移動によって空気が攪拌され、局部的な冷却や熱の滞留が起こり正確な熱画像が測定できない。さらに、実装基板(プリント基板に電子部品が搭載されたもの：電子基板)の間に可動物を挿入することで、実装基板に不具合が生ずる可能性もある。
特開平０５−２９３７７９号公報特開平０７−３６０号公報特開２００２−２０６９６８号公報

上記特許文献１、２、３の発明構成では、測定範囲が限定されているため、広範囲の熱分布や可視画像を得るためには、撮像素子やミラーの移動が必要となるが、そのため、広範囲の同時刻の熱分布や可視画像を得ることができない。よって、測定領域で熱分布や画像が早い周期で変化する場合、正確な測定を行うことが困難となる。

そこで本発明は、狭隘部における熱分布画像や通常画像を広範囲にわたって即時に測定できる熱分布計測装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、請求項１に対応する発明は、熱分布測定対象に近接又は接触する検出面が複数の検出要素からなり、当該各検出要素は光軸に対してそれぞれ交差する端面を有する光線誘導手段の端末から構成されている熱分布計測装置である。

前記目的を達成するため、請求項２に対応する発明は、熱分布測定対象の光検出面と熱分布測定手段との間に配置され、複数の光線誘導線からなり、該各光線誘導線の光検出面側を、同一配列面において互いに間隔を存して二次元的に配列してなる光線誘導手段を備えた熱分布計測装置である。

前記目的を達成するため、請求項１０に対応する発明は、熱分布測定対象の光検出面と熱分布測定手段との間に配置され、制御信号によって光入力を取込みこれを光出力とする光スイッチを複数個同一配列面において互いに間隔を存して二次元的に配列し、該光スイッチ相互間にそれぞれ光線誘導線を配設してなり、前記熱分布測定対象の光検出面で検出した光入力を、前記複数の光スイッチ及び複数の光線誘導線を介して熱分布測定手段に導くようにした熱分布計測装置である。

本発明の熱分布計測装置によれば、狭隘部における熱分布画像や通常画像を広範囲にわたって即時に測定できる。

以下、本発明の実施形態について説明するが、始めに図１〜図６により実施形態の概要について説明する。狭隘部例えば実装基板２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄのうちの２ａと２ｃの間にある実装基板２ｂの温度分布つまり実装基板２ｂの赤外線を、光線誘導手段例えば光プローブ（光ファイバアレイ）１を介して熱分布測定手段例えば赤外線カメラ３に導き、赤外線カメラ３で得られた基板熱分布画像を、表示装置例えば液晶表示器５において表示させるようにしたものである。

光プローブ１は、図５に示すように実装基板２ｂに近接（又は接触）する検出面が複数の検出要素からなり、当該各検出要素は光軸に対してそれぞれ交差する端面を有する光ファイバの端末から構成されている。光プローブ１は、別な見方をすると、図２〜図６に示すように実装基板２ｂの光検出面と赤外線カメラ３との間に配置され、複数の光線誘導線例えば光ファイバ６からなり、光ファイバ６の光検出面側を、同一配列面例えば絶縁性の配列部材例えば図４に示すようにハニカム材料（固定プレート）７、具体的には正六角形の透孔７ａが形成され、透孔７ａが形成されていない連結部にそれぞれ光ファイバ６の端部を挿入固定するためのファイバー挿入孔７ｂが形成され、各ファイバー挿入孔７ｂにそれぞれ光ファイバ６の端部が挿入固定されている。

このように光プローブ１は、ハニカム材料７に形成されているファイバー挿入孔７ｂに多数の光ファイバ６の端部が挿入固定され、光ファイバ６の端面が二次元的に配列され（アレイ状に配置され）ているので、狭隘部の例えば実装基板２ｂの発熱状態を即時（リアルタイム）で計測することが可能になる。

光プローブ１は実装基板２ａと実装基板２ｂの狭隘部に挿入され、熱分布測定対象である実装基板２ｂから発生する赤外光線が、光ファイバ６を通して狭隘部の外部に誘導される。光プローブ１は赤外線カメラ３と結合されており、光プローブ１が誘導した赤外光線の強度に応じた温度信号に変換する。赤外線カメラ３により生成された熱分布の信号は信号線４を介して表示器５に送られ、熱分布画像として表示される。この場合、表示器５に例えば実装基板２ｂに搭載されている電子部品の画像が表示されると共に、これに擬似等高線などのグラフで熱分布（温度分布）が表示される。

この結果、実装基板２ｂの発熱状態を即時（リアルタイム）で計測することが可能になるため、温度変化の周期が早い実装基板などの発熱分布も計測できる。特に制御盤などの匡体に多数実装された実装基板の発熱状態も監視、計測できるため、実装基板に搭載されている部品の異常検出にも有効である。また、発熱している構造物に発生した亀裂部などでは、温度が低くなるため、それらを熱分布画像で表示することで、構造物の亀裂などの発見も容易になる。さらに、熱分布を計測するための可動部がなく、不導体（絶縁物）で光プローブ１を構成できるため、実装基板に荷電された状態でも温度分布の計測が可能となる。

図３は光プローブ１の詳細構造の一例を表す図である。光プローブ１は多数の光ファイバ６を格子状に結合した構造となっている。通常の光伝送に使用される光ファイバの端末は光を誘導する光軸に対して直角に加工されている。これは、光ファイバと光ファイバを結合する場合や、他の光学素子を結合する場合に、結合面での光伝達ロスを抑制するための構造であるが、本発明の実施形態では光ファイバの端末は赤外線進入の光線角度に対して、光を誘導する光軸が直角ではない構造を取っている。この構造を採用することにより光ファイバ６の開口面積を広げることができ、測定対象である実装基板２ｂのより広範囲を少ない数の光ファイバでカバーすることができる。また、光ファイバの光軸に角度を持たせる構造とすることで光プローブ１の厚みを薄くすることができる。さらに、光ファイバ６の開口面積を広げることで、少ない本数で広い測定領域を確保できるため、さらに光プローブ１の厚みを薄くすることが可能となり、狭隘部への光プローブ１の挿入が可能となる。また、光プローブ１は絶縁物である光ファイバ６を結束したものであるため、通電状態の電子機器の内部に挿入しても短絡などの現象を引き起こさないため、基板などの可動状態での熱画像を測定できる特徴を持つ。

光ファイバは石英ガラスなど主成分としているため、曲げ半径の限界値が大きいため、測定面に対して光誘導光軸を直角に配置すると、光プローブ１の厚みが厚くなってしまうため、狭隘部への挿入が困難になってしまうが、狭隘部の間隔が比較的広い場合は、光誘導光軸（光軸）を直角に配置した光プローブ１の使用も可能である。また、曲げ半径が小さい光ファイバを用いることでも光誘導光軸を直角に配置したまま、狭隘部に挿入できる光プローブ１を構成することは可能である。この結果、より広範囲の測定領域を実現することができると共に、光線誘導手段をより薄く形成でき、より狭隘な部分の測定も可能となる。

図６は光プローブ１の測定対象である実装基板２ｂに対向する面を示す模式図である。光ファイバ６の端面は、正三角形の各頂点位置に配置したものであって、光誘導光軸が測定対象面に対して直角になっていないため楕円の構成となっており、測定範囲を拡張する構造となっている。また、隣り合った光ファイバ６の距離ｄは一定となっており、隣り合った光ファイバで計測された温度を利用して、中間位置の温度補間が容易な構造となっている。

図４は光ファイバ６を正六角形に構成した光プローブ構造の一部を示す図である。光ファイバ６はハニカム材料７によって等間隔に固定されている。ハニカム材料７はプラスチックやレジンなどの絶縁性を有する材料で構成されている。また、ハニカム材料７には、無数の穴が開いており、気体や光はこの穴の部分を通過できる構造となっている。そのため、光プローブ１を測定対象の狭隘部に挿入しても、熱流や気流の流れの阻害効果が小さく、測定対象の熱状態変化を抑制できる効果をもつ。例えば、一般に用いられている制御基板は風冷環境下に置かれていることがほとんどであるため、冷却風の流れを阻害すると基板の温度が上昇してしまう。ところが、本発明の実施形態のような構造を持っている場合、例えば実装基板間に挿入しても冷却風の流れの阻害を抑制できるため、実装基板の温度上昇を引き起こす可能性がない。そのため、実装基板の運用状態状態における熱分布を正確に測定することが可能となる。

図５は図４に示した光プローブ構造の一部を示すＡ−Ｂ線に沿って切断した断面図である。この実施形態では光ファイバ６は測定対象に対して直角の光誘導光軸となっている。光ファイバ６の端面には測定対象上の焦点を結ぶ凸レンズ８が形成されており、測定対象の焦点を結ぶ点から発生する赤外線のみを選択して光ファイバ６に誘導する効果を持つ。この構造を取ることで、局所的な温度計測を行うことも可能となる。また、端面に凹レンズを形成すれば、広範囲の赤外線を誘導できるため、測定範囲を広げる効果をもつ。

図７は測定対象の実装基板２ｂの可視光線画像と計測された熱分布画像を合成した画像表示が可能な熱分布測定装置１１を説明する図である。光プローブ１は赤外線の光線波長と可視光線の光線波長を誘導できる光学特性を持った光ファイバで構成されている。

撮像デバイス９は赤外線の放射量により温度分布の計測ができる赤外線カメラと、可視光線での撮影ができるＣＣＤカメラなどで構成されており、制御ユニット１４によって切替え撮影が可能になっている。撮像デバイス９で撮影された通常画像は画像キャプチャユニット１５に転送される。また、撮像デバイス９で撮影された赤外線画像は熱分布データキャプチャユニット１０に転送され、ディジタル画像データに変換された後、熱画像データ補間処理ユニット１３に転送され、画素間のデータ補間が実施される。

図８は、このイメージを説明するための図で、(ａ)は疎な光ファイバ６を示し、(ｂ)はこの光ファイバ６を通して赤外線カメラ３で撮像した生の画像を表示装置５に表示した例を示し、(ｃ)は(ｂ)の画像を、前述のように画素間のデータ補間が実施された後の表示装置５に表示された例を示している。

この場合のデータの補間は一般的に利用されている、平均値を求める方法、２次元スプライン補間方法、ラグランジェ補間方法などのほかにも、２次元データを補間する方法を採用できる。熱画像データ補間処理ユニット１３で補間された熱画像データは熱分布画像キャプチャユニット１６に転送される。転送された熱分布画像と画像キャプチャユニット１５に転送された通常画像は制御ユニット１４にて測定時間の同期を制御して画像合成ユニット１７で合成された後、表示装置５に送られて表示され、リアルタイムでの熱画像の計測が可能となる。

図９は光プローブに光スイッチ１８を採用した場合の熱分布測定装置の構成を示す図である。光スイッチ１８は光ケーブル１９で直列に接続され放射温度計アレイ２０に接続されている。各列の光スイッチは制御ユニット２２によって制御される。

光スイッチは図１０に示すように、２つの入力と１つの出力を備えたスイッチで、制御線２１によって伝達される制御信号によって２つの光入力のどちらか一方を出力に伝達することができる。一般的な光スイッチは、内部に微小な鏡を内蔵しており、制御信号によって鏡の方向を変化させることで出力の選択を行える構造となっている。図６に示す複数の光スイッチ１８は平面を構成するようにアレイ状に配置されている。熱分布の測定対象となる基板や構造体は、光スイッチ１８が構成するアレイ面と平行な位置に設置され、測定対象から放射された赤外線は図８に示す光スイッチの入力光２として入射する。図６の光スイッチ１８は、アレイ状に配置された各スイッチを上方から鳥瞰した図となっている。被測定対象はアレイ状に配置された各スイッチの下方に配置され、測定対象から発生した赤外線は光スイッチの下部から入力光２として光スイッチに入力される。また、図６の各光スイッチ１８の左側に接続される光ケーブル１９は光スイッチのもう一方の入力である入力光１であり、制御信号によって選択された入力光１または入力光２のどちらか一方が各光スイッチ１８の右側に接続された光ケーブル１９に出力される。

制御ユニット２２によって選択され、光スイッチによって伝達された測定対象から発生した赤外線は放射温度計アレイ２０に入力され、赤外線量から温度情報に変換され、信号線４を介して温度データキャプチャユニット２３に保存される。温度データキャプチャユニット２３では制御ユニット２２の制御によって順次走査により伝達され、放射温度計アレイ２０にて温度情報に変換された温度データを順次取り込み、測定対象の順次走査が一巡した時点で、温度分布データを分布データ信号線１２を介して温度分布データ補間処理ユニット２４に転送する。温度分布データ補間処理ユニット２４で補間されたデータは温度分布画像構成ユニット２５にて、温度分布画像に変換され、表示装置５に表示される。

この、構成の発明では、厳密な意味でのリアルタイム性は失われるものの、測定対象から発生する赤外線を狭隘部の外部へ誘導する光ファイバの数を減らせることができる。

また、光スイッチをアレイ状に構成した光プローブには制御信号を伝達するための制御線２１が配置されているが、複数の制御線を用いて光プローブに電源を供給することができ、必要に応じ、光プローブに設置したアクチュエータに電源を供給することで、光プローブの形状を変化させたり、自走して狭隘部に侵入する構成にすることも可能である。

（変形例）
本発明は、前述した実施形態に限定されず種々変形して実施できる。例えば、表示器５に、狭隘部の温度分布を擬似等高線などのグラフ以外に数値、グラフ等で記録表示するようにしてもよい。前述の実施形態では、光ファイバ６の配列部材としてハニカム材料７を使用した例について説明したが、何等かの手法で複数の光ファイバ６の端面を例えば等間隔に配列できれば、ハニカム材料７を用いなくてもよい。図６の例では光ファイバ６が正三角形の頂点位置に配置された構造について示しているが、正四角形や正六角形の各頂点位置のように複数の光ファイバ６が等間隔に配置される構造であればどんな構造でもよい。前述の光ファイバ６は、例えば直径が所定サイズの光ファイバ素線を５００〜１００００本束ねたもの、或いは単体で所望の直径の光ファイバのいずれかを用いてもよい。

本発明の熱分布計測装置の第１実施形態の概要を説明するための図。図１の主たる構成を示す図。図１の光プローブの詳細構造を示す図。図１の光プローブの先端面を示す模式図。図１の光プローブの先端の断面構造を示す図。図１の光プローブの先端の詳細構造を示す図。本発明の温度分布計測用光ファイバを使用した熱分布測定装置の構成を示す図。本発明の熱分布計測装置の第２実施形態の概要を説明するための図。図８の光スイッチ光プローブの温度分布測定装置の構成を示す図。図８の光スイッチの動作を説明する図。

符号の説明

１…光プローブ、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ…実装基板、３…赤外線カメラ、４…信号線、５…表示装置例えば液晶表示器、６…光ファイバ、７…ハニカム材料、７ａ…透孔、７ｂ…ファイバー挿入孔、８…凸レンズ、９…撮像デバイス、１０…熱分布データキャプチャユニット、１１…熱分布測定装置、１２…分布データ信号線、１３…熱画像データ補間処理ユニット、１４…制御ユニット、１５…画像キャプチャユニット、１６…熱分布画像キャプチャユニット、１７…画像合成ユニット、１８…光スイッチ、１９…光ケーブル、２０…放射温度計アレイ、２１…制御線、２２…制御ユニット、２３…温度データキャプチャユニット、２４…温度分布データ補間処理ユニット、２５…温度分布画像構成ユニット
。

Claims

熱分布測定対象に近接又は接触する検出面が複数の検出要素からなり、当該各検出要素は光軸に対してそれぞれ交差する端面を有する光線誘導手段の端末から構成されている熱分布計測装置。
熱分布測定対象の光検出面と熱分布測定手段との間に配置され、複数の光線誘導線からなり、該各光線誘導線の光検出面側を、同一配列面において互いに間隔を存して二次元的に配列してなる光線誘導手段を備えた熱分布計測装置。
前記光線誘導手段を構成する各光誘導線の光検出面側は、絶縁性の配列部材により各光誘導線相互間は等間隔に配列されている請求項２記載の熱分布計測装置。
前記光線誘導手段を構成する各光誘導線の光検出面側は、光軸に対して傾斜するように形成された請求項２記載の熱分布計測装置。
前記光線誘導手段を構成する各光誘導線の光検出面側の端面は、前記絶縁性の配列部材の配列面に沿うように形成された請求項３記載の温度分布計測装置。
前記光線誘導手段を構成する各光誘導線相互に空間が形成され、該空間は流体が流通可能で、かつ赤外線が透過可能である請求項２記載の熱分布計測装置。
前記光線誘導手段を構成する複数の光誘導線の光検出面側を配列する絶縁性の配列部材は、ハニカム材料であって、各光線誘導線を配列する部分以外には複数の透孔が形成され、前記固定体の前記各光線誘導線が配列される光検出面側は所定の開口角が形成された請求項３記載の熱分布計測装置。
前記開口角には、凸レンズ又は凹レンズが形成されている請求項７記載の熱分布計測装置。
前記光線誘導手段によって誘導された赤外光線の計測量から、該光線誘導手段で誘導できない領域の赤外光線の計測量を補間推定する補間推定手段を、更に具備した請求項１〜８のいずれかに記載の熱分布測定装置。
熱分布測定対象の光検出面と熱分布測定手段との間に配置され、制御信号によって光入力を取込みこれを光出力とする光スイッチを複数個同一配列面において互いに間隔を存して二次元的に配列し、該光スイッチ相互間にそれぞれ光線誘導線を配設してなり、前記熱分布測定対象の光検出面で検出した光入力を、前記複数の光スイッチ及び複数の光線誘導線を介して熱分布測定手段に導くようにした熱分布計測装置。
前記光線誘導手段によって誘導され、前記熱分布測定手段により測定された表面温度分布と、前記光線誘導手段を用いて誘導された熱分布測定対象の可視光線画像を重ね合わせて表示する表示装置をさらに具備したことを特徴とする請求項１、２、１０のいずれかに記載の熱分布測定装置。