JP2005265473A - 熱分布測定装置 - Google Patents
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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
【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。
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
。
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Claims (11)
- 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。
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2004
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