JP2010271214A

JP2010271214A - 電子機器

Info

Publication number: JP2010271214A
Application number: JP2009123826A
Authority: JP
Inventors: Hiromi Seko; 博巳世古
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-05-22
Filing date: 2009-05-22
Publication date: 2010-12-02

Abstract

【課題】光ファイバーセンサを機器内部に設けて、機器内部の歪みおよび温度を直接的に計測可能とした、電子機器を得ることを目的とする。
【解決手段】筐体と、上記筐体の内部に、互いに間隔を空けて収納される複数の基板と、上記各基板の表面にそれぞれ固着され、温度計測用のファイバーグレーティングと歪み計測用のファイバーグレーティングとを複数個所有し、上記基板に一筆書きで配線された光ファイバーセンサとを備えて、電子機器を構成する。
【選択図】図１

Description

この発明は、機器内の基板に発生する、歪みおよび温度を計測する光ファイバーセンサを備えた電子機器に関するものである。

従来、人工衛星や航空機などにおける構造物の健全性をモニタするために、ファイバーグレーティング（以下、ＦＢＧと記述する）を有した光ファイバーセンサを、リブ構造体に内層し、外部から構造体の歪をモニタする方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、光ファイバーセンサは、光ファイバにＦＢＧを直列に複数挿入して構成され、計測対象箇所にＦＢＧを接着することで、歪や温度を多点で計測することができる（例えば、特許文献２参照）。

特開２００５−２０８０００号公報

特開平１０−１４１９２２号公報

従来、人工衛星に搭載する大型機器においては、機器内部に加速度計、歪みゲージまたは熱電対を取り付けて、振動環境又は衝撃環境に対する機器の耐性評価を行っていた。しかし、通常の電子機器に対しては、環境計測用の歪みゲージまたは熱電対の寸法が、機器内部の収納領域に比べて大きいために、歪みゲージまたは熱電対を機器内部に取り付けることが不可能であり、直接的に機器内部の歪み、または温度を計測することができない。このことから、電子機器の試験時には、電子機器を人工衛星に取り付ける機器取り付け部にて、歪みゲージまたは熱電対を取り付け、機器取り付け部の歪みまたは温度を計測することで、電子機器内部の温度や歪みなどの環境を構造解析や熱解析によって間接的に推定していた。

このため、試験時には、電子機器内部の歪みおよび温度を正確に測定することができないという問題があった。また、電子機器の設計を行う際、機器取り付け部の歪みや温度に対する、機器内部の歪みや温度の状況を推定するには、構造解析や熱解析によるシミュレーション計算を行う必要があって、その解析に手間を要する、また、推定した結果の正確さが検証できない、という問題があった。

なお、光ファイバーセンサを用いて、構造体の歪や温度を計測する技術は知られているが、人工衛星に搭載される電子機器内部の歪みや温度を計測する方法についてまでは提案されていない。このため、光ファイバーセンサを利用して、電子機器内部の歪みや温度を直接的に計測する方法が望まれている。

この発明は、光ファイバーセンサを機器内部に設け、機器内部の歪みおよび温度を直接的に計測可能とする電子機器を得ることを目的とする。

この発明による電子機器は、上記筐体の内部に、互いに間隔を空けて収納される複数の基板と、上記各基板の表面にそれぞれ固着され、温度計測用のファイバーグレーティングと歪み計測用のファイバーグレーティングとを複数個所有し、上記基板に一筆書きで配線された光ファイバーセンサと、を備えたものである。

また、上記光ファイバーセンサは螺旋状に配置しても良い。さらに、上記基板間では、光ファイバーセンサを所定以上の曲率で曲げて配置しても良い。

この発明によれば、光ファイバーセンサを電子機器内部の基板に固着することによって、電子機器内部の歪みや温度を、電子機器の外部から直接的に計測することが可能となる。

この発明に係る実施の形態１の電子機器における、光ファイバーセンサの実装構造を示す図である。この発明に係る実施の形態１の電子機器における、基板への光ファイバーセンサの引き回し構造を説明する図である。光ファイバーセンサを基板に固着した後、基板を電子機器内部に配置する方法を説明する図である。

実施の形態１．
以下、図を用いて、この発明に係る実施の形態１による環境計測用センサを有した電子機器について説明する。図１は、実施の形態１の電子機器における、環境計測用センサを構成する光ファイバーセンサの実装構造を示す図である。

図１に示すように、実施の形態１の電子機器は、人工衛星や航空機などに搭載され、複数枚の基板２と、各基板２に固着された一本の光ファイバーセンサ１と、光ファイバーセンサ１および基板２を収納する筐体（ケース）４とを備えて構成される。筐体４は、例えば金属壁を六面体の箱形に配置して構成され、内部に基板２の収容スペースが設けられている。筐体４は、人工衛星や航空機などの外部機器の機器搭載面に装着するための取り付け面６が設けられている。筐体４は、筐体の骨組みシャーシに対し着脱可能なアクセスパネル（図示せず）が設けられて、基板２を挿抜可能に構成されている。基板２は、筐体４に設けられた保持部材５によって固定され、各基板２の部品実装面が互いに平行になるように、筐体４内部に配列される。保持部材５は、例えば図示のように、４つのねじ付六角スペーサを、スペーサの軸が基板面に垂直になるように基板間や、基板と筐体内壁面との間に、挟んで配置する構造から成る。あるいは、保持部材５は、例えば枠型のフレームを基板間に配置する構造や、筐体４の内面に凹型の溝を突設して、溝内に基板の側端部を嵌合させるようなリテーナ構造であっても良い。基板２には、ＣＰＵやメモリなどの集積回路部品や、コンデンサや抵抗などの電子部品が、基板の片面または両面に実装されている。

光ファイバーセンサ１は、基板２の表面を這うように、基板２の一方面側（図の例では下面側）の表面上に配線され、固着されている。光ファイバーセンサ１は、温度を計測するためのセンサ部１−Ｔ（温度センサ部）と、歪みを計測するためのセンサ部１−Ｓ（歪みセンサ部）が設けられている。センサ部１−Ｔおよびセンサ部１−Ｓは、ＦＢＧ（ファイバーグレーティング）から構成されており、各基板の表面にＦＢＧが一筆書きで配線されている。ＦＢＧは、シングルモード形光ファイバのコア部の屈折率を、ファイバ軸方向の所定長さ（例えば１０ｍｍ程度）にわたって、周期的に変化させて構成される。センサ部１−Ｔ、１−Ｓに入ってきた光のうち、屈折率の周期に対応した特定の波長（ブラッグ波長）のみがＦＢＧにおいて選択的に反射されることになる。このため、ＦＢＧおよびその周囲に歪みが加えられると、ＦＢＧの周期が変化するため、反射光の波長にシフトが生じる。したがって、波長のシフト量から加えられた歪量が測定できる。また、ＦＢＧは、極微量の歪み量を検出できるので、温度変化に応じて変化するＦＢＧの歪みを検出することが可能であることから、温度計測に用いることができる。各ＦＢＧは、代表的な屈折率が互いに異なり、選択的に反射する波長が異なっている。また、各センサ部１−Ｔ、１−Ｓの間は、ＦＢＧの構成されていない非ＦＢＧの光ファイバ部分が、各センサ部１−Ｔ、１−Ｓと一体的に接続されており、光ファイバーセンサ１は、ＦＢＧを形成する光ファイバ部分と非ＦＢＧの光ファイバ部分とから構成された、一本の光ファイバから成る。

各基板２には、少なくとも１つのセンサ部１−Ｓと、少なくとも１つのセンサ部１−Ｔが固着され、各基板上の歪みまたは温度計測を行う点に、各ＦＢＧが配置されている。このとき、基板上の歪み計測を行う点では、センサ部１−Ｓを構成するＦＢＧの表面を基板に接着する。また、基板上の温度計測を行う点では、センサ部１−Ｔを構成するＦＢＧの計測点自体は基板から浮かせた状態で、ＦＢＧ両端（ＦＢＧを含まない部分）の周囲における光ファイバの表面を、基板２に接着剤にて固定する。また、基板間では、光ファイバーセンサ１が適度に曲げられた状態で配設されている。筐体４は、側面壁に貫通穴の設けられたケーブル貫通部７が設けられている。光ファイバーセンサ１は、ケーブル貫通部７の貫通穴を通じて筐体４の内部から筐体４の外部に、光ファイバーセンサ両端の光ファイバ端末が引き出されている。この筐体４から引き出された光ファイバーセンサ１の両端は、外部の計測機器（図示せず）に接続される。この外部計測機器は、光ファイバーセンサ１の光ファイバ端末から、各ＦＢＧが反射する波長に対応した複数の異なる光信号を入力し、各ＦＢＧからの反射光の波長シフト量を計測することで、光ファイバの長手方向の歪分布を計ることができる。このとき、ＦＢＧがＭ個（Ｍは正の整数）あれば、ＦＢＧの反射波長に対応したＭ種類の波長の光信号を送って、各ＦＢＧの歪みを計測する。また、光ファイバの長手方向の歪分布に基いて、各センサ部１−Ｔにおける歪量を温度に変換することで、温度計測を行うことができる。

次に、図２は、実施の形態１の電子機器による、基板への光ファイバーセンサ１の引き回し構造を説明する図である。図２に示すように、複数枚の基板２が互いに間隔を空けて配置され、基板２の表面および基板２の間を介して、光ファイバーセンサ１が螺旋状に配設された状態を示している。また、光ファイバーセンサ１は、貫通穴８を通じて、基板の表裏を貫通するように配置されている。なお、図中において保持部材５は記載を略している。

光ファイバーセンサ１の基板間を跨ぐ部分は、センサ部１−Ｓ、１−Ｔの周囲の光ファイバが折れないように、所定以上の十分に大きな曲率を持たせつつ、その部分の固有振動数が十分低くなるように、十分な長さ分だけフリーな状態とする。これは、電子機器を搭載する人工衛星や航空機などの振動環境下において、センサ部１−Ｓ、１−Ｔを構成するＦＢＧが共振して、ＦＢＧの破損若しくは計測値に誤差を生じることを防止するためである。所定以上の十分に大きな曲率としては、光ファイバーセンサ１の光ファイバを構成する素材にもよるが、例えば直径１０ｍｍ以上の大きさを有すれば良い。このとき、光ファイバーセンサ１が、基板から離れてフリー状態となった部分には、光ファイバの保護のために、光ファイバーセンサ１よりも低い線熱膨張率を有する低線熱膨張率のチューブ３を被せる。また、センサ部１−Ｔを構成するＦＢＧは、基板から宙に浮いた状態となっているので、センサ部１−Ｔを構成するＦＢＧの外周についても、チューブ３が被覆されている。隣接する基板２の貫通穴８同士は、基板２における同一側の端部に並ぶように配置され（図２の例では基板の右端部側に並ぶ）、光ファイバーセンサ１が基板２に対して螺旋状に配置されている。

このようにして、光ファイバーセンサ１を電子機器の内部に設け、光ファイバーセンサ１を電子機器内に収納された基板２に設けることによって、外部の計測機器を通じて、電子機器内部の歪みや温度を、外部から直接的に計測することができる。

なお、光ファイバーセンサ１は重量が軽く、また周囲の電気部品に電気信号の影響を与えることもない。このため、電子機器を人工衛星搭載用機器として利用する場合、電子機器の試験製造工程が終了した後、光ファイバーセンサ１の端末を切断し、光ファイバーセンサ１を電子機器の内部に残した状態で、電子機器を人工衛星に実装してから、人工衛星を打ち上げても良い。

図３は、光ファイバーセンサ１を基板２に固着した後、基板を電子機器内部に配置する方法を示す図であり、図３（ａ）は基板２に光ファイバーセンサ１を固着した状態を示し、図３（ｂ）は基板２を並列に配置して筐体４の内部に固定した状態を示す図である。なお、図では、２枚の基板を配置した例を示している。

図３において、まず、各基板２を平行に並べ、各基板２を仮保持具１０で固定する。
次に、一繋ぎの光ファイバーセンサ１を、各基板２の貫通穴８に一筆書きで通してから、接着剤９を用いて、光ファイバーセンサ１を各基板２に適宜固着する。
このとき、光ファイバーセンサ１には、各基板２に固着する前に、予め基板２の間や、センサ部１−Ｔの周囲に、チューブ３を被覆しておく。また、センサ部１−Ｔに接着剤９が付着しないように配慮する。センサ部１−Ｓは接着剤９によって基板２の表面に固着させるが、必要以上に接着剤９が付着しないように注意する。

次いで、隣接する基板２について、互いに平行を維持した状態で基板面の法線軸周りに相対的に半回転させ、光ファイバーセンサ１が捩れるように配置する。図の例では、右側の基板２を、貫通穴８が上から下に移動するように、水平軸周りに上下に１８０度回転させている。同時に、隣接する基板２の間隔を接近させる。かくして、光ファイバーセンサ１が螺旋状に配置されるとともに、隣接する基板２の間隔を所定の間隔に維持することができる。
その後、基板２を保持部材５に固定することによって、筐体４に各基板２を固定する。

このようにして、光ファイバーセンサ１を固着した基板２を半回転させ、光ファイバーセンサ１を筐体４の内部に螺旋状に配置することで、光ファイバーセンサ１の組み付け作業が容易になるという効果がある。

なお、光ファイバーセンサ１を固着した基板２を組み付ける際、隣接する基板２同士を半回転させないで配置する場合、隣接する基板２の間隔が狭くなるので、光ファイバーセンサ１の接着作業が困難になる。また、光ファイバーセンサ１の接着作業が容易になるように隣接する基板２の間隔を広げると、筐体４の内部空間が大きくなり、光ファイバーセンサ１を螺旋状に基板２に固着した場合に比べ、電子機器が大型化することとなる。

１光ファイバーセンサ、１−Ｓセンサ部（歪みセンサ部）、１−Ｔセンサ部（温度センサ部）、２基板、３チューブ、４筐体。

Claims

筐体と、
上記筐体の内部に、互いに間隔を空けて収納される複数の基板と、
上記各基板の表面にそれぞれ固着され、温度計測用のファイバーグレーティングと歪み計測用のファイバーグレーティングとを複数個所有し、上記基板に一筆書きで配線された光ファイバーセンサと、
を備えた電子機器。
上記光ファイバーセンサは、螺旋状に配置されることを特徴とする請求項２記載の電子機器。
上記各基板間では、光ファイバーセンサを所定以上の曲率で曲げて配置することを特徴とする請求項２に記載の電子機器。
上記温度計測用のファイバーグレーティングは、基板から浮かせた状態でファイバーグレーティングを除く周囲の両端を基板に接着し、上記歪み計測用のファイバーグレーティングは、基板に直接接着することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電子機器。
上記光ファイバーセンサが基板から離れた部位や基板間の部位において、上記光ファイバーセンサにチューブを被せたことを特徴とする請求項１から請求項４の何れか１項に記載の電子機器。