JP2003247924A - 材料試験機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電子デバイス等の微小構造物からなる供試体
または電子デバイスのはんだ接合面などの供試体にマイ
クロオーダの変位を加えながら、その異種材接合構造等
の強度を高精度に計測することのできる簡易な構成の材
料試験機を提供する。 【解決手段】 供試体Ｓの下部を固定した下部供試体固
定ブロック４２を基台１上に設けると共に、供試体の上
部を固定した上部供試体固定ブロック４１を下部供試体
固定ブロック４２から垂設した着脱可能な位置決めピン
４３を介して下部供試体固定ブロック４２に固定する。
そして、水平方向に移動自在に前記基台に設けたブロッ
ク支持体１０に上部供試体固定ブロック４１を固定させ
ると共に、該ブロック支持体１０に荷重を加えて変位さ
せる荷重機構２０をブロック支持体１０の移動方向の側
部に設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、供試体にマイクロ
オーダの変位を加えて、その強度を試験するに好適な材
料試験機に関する。

【０００２】

【関連する背景技術】近時、マイクロマシンや電子デバ
イスのマイクロ接合部等の微小構造物における強度信頼
性並びに電子デバイスのはんだ接合面などの強度信頼性
を如何にして評価するかが重要となっている。ちなみに
この種の微小構造物における強度問題は、専ら、温度変
化等によって異種材接合構造に生じる熱応力に原因する
ものが多い。この為、機械的な試験法にてその強度試験
を行う場合、従来一般的な荷重制御系を用いて微小構造
物（供試体）に荷重を加えながら試験するよりも、むし
ろ変位制御系により微小構造物（供試体）に横方向の変
位を加えながら試験する方が好ましいと言える。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上述した
微小構造物は、微小で複雑な構造を有するので、一般的
な標準試験片（供試体）を一対のチャック間に保持して
荷重や変位を加える如く構成された万能試験機を用い
て、その強度試験を行うことは困難である。特にこの種
の試験は、微小構造物（供試体）にマイクロオーダの微
小な変位を加えながら行うことが必要であり、一般的な
万能試験機を用いた試験を一層困難なものとしている。

【０００４】更には剪断試験を精度良く行うため微小構
造物（供試体）を試験機のチャックに装着する際、偏荷
重が加わらないようにする必要があり、微小構造物（供
試体）を精密に加工する必要がある。またプリント配線
板にはんだ付けされた電子デバイスのはんだ接合部に対
する剪断試験のように、試験片（供試体）を精密に加工
できない場合は、予め試験機に試験片（供試体）を接着
固定して試験機に組み込んだ状態で姿勢を保持する必要
がある。このため、予め複数の試験片を準備できないと
いう問題があった。

【０００５】特に、ピエゾ素子を駆動源として用いた従
来の一軸試験機においては、ピエゾ素子に予荷重を加え
る必要がある。この予荷重を加えるための予荷重機構
は、一般的にはチャックを間にして荷重機構とは反対側
の位置に設けられる。そして一対のチャックの両側から
荷重と予荷重とをそれぞれ付与する如く構成される。こ
のため、試験片（供試体）の取付空間が狭く試験作業性
が悪いという問題があった。

【０００６】本発明はこのような事情を考慮してなされ
たもので、その目的は、電子デバイス等の微小構造物や
プリント配線板における電子デバイスのはんだ接合面な
どの供試体にマイクロオーダの変位を加えながら、その
異種材接合構造等の強度を高精度に計測することのでき
る簡易な構成の材料試験機を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上述した目的を達成する
べく本発明に係る材料試験機は、電子デバイス等の微小
構造物やプリント配線板におけるはんだ接合部試験のよ
うな供試体における異種材接合構造部等の強度を試験す
るに好適なものであって、供試体の上部と下部との間に
横方向の変位を加えて該供試体の強度を試験する材料試
験機で、基台上にその上面に沿って水平方向に移動自在
に設けられたブロック支持体と、前記ブロック支持体の
外側面に支持されて前記供試体の上部を固定する上部供
試体固定ブロックと、前記基台に設けられて前記上部供
試体固定ブロックの下方に位置付けられて前記供試体の
下部を固定する下部供試体固定ブロックとを備えてい
る。そして、前記基台上に固定され電圧の印加により厚
みが変化して、その変化方向に荷重を生起するピエゾ素
子により該ブロック支持体に水平方向の移動変位を生起
する荷重を加える荷重機構と、前記ブロック支持体と荷
重機構との間に固定され、バネ長が可変設定されて弾性
荷重が調整されるバネ機構により前記荷重機構に上記荷
重とは逆向きの一定荷重を与える予荷重機構とを備えて
いる。

【０００８】好ましくは、請求項２に記載するように前
記下部供試体固定ブロックは、前記上部供試体ブロック
に設けられた貫通孔を貫通して、前記上部供試体ブロッ
クを位置決めする垂設した位置決めピンを着脱自在に備
えることを特徴としている。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の一
実施形態に係る小型の材料試験機について説明する。こ
の実施形態に係る材料試験機は、例えば電子デバイスや
電子機器等に用いられる部品のように異種材マイクロ接
合構造をなす供試体並びにプリント配線板における電子
デバイスのはんだ接合部の強度やその機械的性質の評価
に用いるに好適なものであり、電気を動力源として作動
するデスクトップ型の装置として実現される。

【００１０】図１はこの実施形態に係る材料試験機の全
体的な概略構成を示す斜視図であり、図２(ａ)(ｂ)はそ
の一部を断面として示した平面図および正面図である。
図において１は定盤等からなる基台であり、この基台１
は水平基準面をなす主体部１ａと、主体部１ａの側部に
並設された壁部１ｂとを備えたＨ字型の構造体として実
現されている。この基台１は、図２(ｂ)に示すように机
や床面２等の上に、脚部１ｃを介して高さを調整されて
水平に設置される。

【００１１】そして基台１（主体部１ａ）の略中央部に
は、ブロック支持体１０が水平方向に移動自在に設けら
れている。このブロック支持体１０は、前記基台１の略
中央上部に固定されたローラ機構１１に搭載されること
で、基台１に対峙して水平方向に円滑に移動し得るよう
に支持されている。また前記ブロック支持体１０の略中
央内側に位置してその移動方向の一側面から該ブロック
支持体１０に荷重を加える荷重機構２０がブロック支持
体１０の側面に固定されている。そして、荷重機構２０
の他側面は後述するロードセル１４を介して基台１の端
部固定ブロック１ｄによって固定されている。この荷重
機構２０は、例えば電圧の印加により長さまたは厚みが
変化して、その変化方向に荷重を生起するピエゾ素子を
駆動源とするアクチュエータからなり、その作動軸２２
をブロック支持体１０に連結して設けられる。

【００１２】そして、前記ブロック支持体１０には一定
の荷重（予荷重）を逆向きに加える予荷重機構３０が設
けられている。この予荷重機構３０は、例えばバネ長が
可変設定されて弾性荷重が調整されるコイルバネ３１を
備えている。このコイルバネ３１の作動軸３２は、ブロ
ック支持体１０の外壁面に取り付けられたＬ型アングル
１２を貫通し、バネ保持板１３に保持される。

【００１３】尚、予荷重機構３０は、その一端にて作動
軸３２を水平方向に押圧し、このコイルバネ３１の他端
位置を軸方向に調整することでそのバネ力（予荷重）を
可変する予荷重調整ネジ部３３とからなる。該コイルバ
ネ３１の作動軸３２は前述のとおり、Ｌ型アングル１２
を貫通してバネ保持板１３に保持されている。このた
め、コイルバネ３１の伸張力はＬ型アングル１２とバネ
保持板１３との間隔を縮める方向へ作用する。そしてＬ
型アングル１２は荷重機構２０を保持するブロック支持
体１０に保持されているので、荷重機構２０の荷重方向
と予荷重機構３０の荷重方向とが前記ブロック支持体１
０に対して水平方向に互いに逆向きに作用する。しかし
て、ブロック支持体１０は、荷重機構２０および予荷重
機構３０からそれぞれ加えられる荷重をその壁面に支持
した上部供試体固定ブロック４１に与える。

【００１４】また、供試体Ｓは、この上部供試体固定ブ
ロック４１によって上部を固定されると共に、供試体Ｓ
の下部は下部供試体固定ブロック４２によって固定され
る。この下部供試体固定ブロック４２は更に基台１に固
定されている。しかして、供試体Ｓには上部供試体固定
ブロック４１を介して荷重機構２０によって水平方向の
変位が与えられる。

【００１５】ちなみに下部供試体固定ブロック４２の上
面には上部供試体固定ブロック４１を所定の場所に位置
決めする位置決めピン４３が垂設され着脱自在に設けら
れている。そして、上部供試体固定ブロック４１には位
置決めピン４３を貫通させる貫通孔４４が設けられてい
るので、上部供試体固定ブロック４１を所定の場所に位
置決めすることができる。この位置決めピン４３は、下
部供試体固定ブロック４２に着脱が自在となるように取
り付けられている。また位置決めピン４３は上部供試体
固定ブロック４１の高さよりも略長い構造をしており、
供試体Ｓを供試体ブロックに固定した後、位置決めピン
を上方に引抜いて試験を実施する。

【００１６】尚、上部供試体固定ブロック４１の移動方
向の端部には変位センサ１５が装着されている。この変
位センサ１５は、例えば静電容量式変位センサからな
り、上部供試体固定ブロック４１の水平方向の変位量の
検出に用いられる。一方、荷重機構２０と端部固定ブロ
ック１ｄとの間には前述した荷重センサ（ロードセル）
１４が設けられて、ブロック支持体１０に加わる荷重の
検出に用いられる。そして、ブロック支持体１０の端部
に装着された荷重センサ（ロードセル）１４は、上記の
如く加えられる荷重に応じた電気的出力（電圧）を発生
する。

【００１７】尚、荷重センサ１４としてはピエゾ素子を
用いることも可能である。ちなみに、基台１の上方に位
置付けられたブロック支持体１０は、ローラ機構１１を
介して基台１の主体部１ａに支持され、供試体Ｓに対し
てその上下方向に余分な荷重を加えることなく水平方向
に滑らかに移動し得るように設けられている。またこの
ブロック支持体１０に予荷重を与える予荷重機構３０お
よび所定の周期で荷重を与えてブロック支持体１０を水
平方向に変位させる荷重機構２０は、該ブロック支持体
１０に保持されて前記基台１の端部固定ブロック１ｄに
固定されている。そして荷重機構２０および予荷重機構
３０の変位方向が、ブロック支持体１０の移動軸上にな
るようにブロック支持体１０に取り付けられた構造とな
っている。

【００１８】さて、上述した如く構成された材料試験機
によれば、ブロック支持体１０に取り付けられた荷重機
構２０には、予荷重機構３０により所定の予荷重が加え
られ、この予荷重状態で上記ブロック支持体１０に荷重
機構２０から所定の荷重が逆向きに加えられる。特に荷
重機構２０は、所定の周期で駆動されて前記予荷重を越
える荷重を発生し、予荷重機構３０と協働してブロック
支持体１０に所定の周期で交番的に荷重を加えている。
これによりブロック支持体１０は所定の周期で水平方向
に往復駆動され、ブロック支持体１０に支持された上部
供試体固定ブロック４１に水平方向の往復移動変位が加
えられる。そして上部供試体固定ブロック４１（ブロッ
ク支持体１０）の水平方向の変位量は、下部供試体固定
ブロック４２に組み込まれた変位センサ１５により検出
される。

【００１９】この結果、荷重機構２０および予荷重機構
３０からブロック支持体１０にそれぞれを加えられる荷
重および予荷重は、曲げ応力（モーメント）等を生じる
ことなくブロック支持体１０に直接的に作用することに
なり、ブロック支持体１０にマイクロオーダの変位を高
精度に与えることが可能となる。特に図３に示すように
上部供試体固定ブロック４１には下部供試体固定ブロッ
ク４２の上面に垂設された着脱自在な位置決めピン４３
を貫通させる貫通孔４４が設けられているので、上部供
試体固定ブロック４１と下部供試体固定ブロック４２の
位置関係を高精度に保つことができる。このため、下部
供試体固定ブロック４２上に固定された供試体Ｓに対し
て水平方向に変位を安定に、しかも高精度に位置決めす
ることができ、精度の高い試験をすることができる。

【００２０】ちなみに位置決めピン４３は、上部供試体
固定ブロック４１の高さ方向の長さよりも略長い構造を
している。そして供試体Ｓを供試体固定ブロック４０に
固定した後、位置決めピン４３を抜き去ることができ
る。このため、供試体固定ブロック４０の取付に係る偏
荷重を供試体Ｓにかけることなく異種材マイクロ接合構
造の強度を高精度に試験することができる。

【００２１】つまり本発明に係る材料試験機によれば下
部供試体固定ブロック４２と上部供試体固定ブロック４
１との間で供試体Ｓに対して偏荷重を掛けることなく固
定することが可能となる。このため、供試体Ｓの異種材
マイクロ接合構造の強度を高精度に試験することができ
る。更には変位センサ１５が下部供試体固定ブロック４
２に取り付けてあるので上部供試体固定ブロック４１の
移動量、即ち供試体Ｓの変形量を測定するため変位の誤
差とならない。

【００２２】また、供試体固定ブロック４０が荷重機構
２０の側面に設けられていることから、供試体の形状に
応じた供試体固定ブロック４０を用意すれば、種々の形
態の供試体に対する強度信頼性試験を行うことが可能と
なる。即ち、従来は電子デバイスのはんだ接合部等の精
密に加工できないような供試体Ｓに対する強度信頼性試
験を行う場合、予め試験機に供試体Ｓを接着固定する必
要があった。しかしながら、本発明によれば、供試体固
定ブロック４０が荷重機構２０の側面に設けられてお
り、更には位置決めピン４３を介して供試体固定ブロッ
ク４０を所定の位置に、偏荷重を加えることなく取り付
けることが可能となる。このため、予め供試体Ｓを試験
機に接着固定する必要がない。

【００２３】かくしてこのように構成された材料試験機
によれば、電子デバイスや電子機器等に用いられる部品
のように異種材マイクロ接合構造をなす微小な供試体Ｓ
の下部を、下部供試体固定ブロック４２を介して基台１
に固定し、その上部を上部供試体固定ブロック４１を介
してブロック支持体１０に固定する。そして水平方向に
微小な往復移動変位を与えるので、供試体Ｓにおける異
種材マイクロ接合構造の強度を簡易にして効果的に試験
することができる。

【００２４】あるいはプリント配線板に実装されたはん
だ接合部の試験を実施するときには、プリント配線板を
下部供試体固定ブロック４２を介して基台１に固定し、
その上部に実装された電子デバイスを上部供試体固定ブ
ロック４１を介してブロック支持体１０に固定すること
で、供試体Ｓにおけるはんだ接合部の強度を簡易にして
効果的に試験することができる。

【００２５】またＨ字型のブロック体からなる基台１
は、供試体固定ブロック４０のみならず、ブロック支持
体１０、荷重機構２０、および予荷重機構３０をそれぞ
れ所定の位置に強固に支持するので、これらの位置関係
を高精度に保ちながら、供試体固定ブロック４０に固定
された供試体Ｓに対して水平方向に変位を安定に、しか
も高精度に加えることができる等の効果が奏せられる。

【００２６】ちなみにピエゾ素子を駆動源として用いた
荷重機構２０によれば、上述した構成において、例えば
±２０００Ｎの最大荷重で、最大変位幅±５０μｍの変
位を０.０５μｍの分解能で与えることが可能である。
またその剪断試験の往復変位周波数を、例えば０.１〜
２０Ｈzの範囲で可変設定することができる。更にはピ
エゾ素子の駆動電圧として、正弦波のみならず、三角波
や台形波を用いることも勿論可能である。従って半導体
集積回路等の電子デバイスにおける異種材マイクロ接合
構造部分並びにプリント配線板にはんだ付け接合された
電子デバイスに往復振動を加えて、それら接合部の強度
を簡易にしかも高精度に試験することができる。

【００２７】尚、本発明は上述した実施形態に限定され
るものではない。例えばここでは横置き型の装置として
説明したが、縦方向に荷重を加える装置としても同様に
実現することができる。この場合には、上述した構成の
装置を全体的に縦型配置するように構成すればよい。ま
た荷重センサ１４としてピエゾ素子を用いることも可能
である。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で
種々変形して実施することができる。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、供
試体の下部を固定する下部供試体固定ブロック４２から
垂設された位置決めピンを介して、該供試体の上部を固
定する上部供試体固定ブロックを取り付けるので、該供
試体に偏荷重をかけることなく、供試体における異種材
マイクロ接合構造並びにプリント配線板に実装された電
子デバイスのはんだ付け接合部の強度を簡易にして効果
的に試験することができる。

【００２９】更にはこのブロック支持体に変位を加える
荷重機構が、該ブロック支持体の側部に固定されている
ので、曲げ応力等の問題を招来することなしに供試体に
対して精度良く横変位を与えることができる。従って電
子デバイス等の供試体における異種材接合構造の強度並
びにプリント配線板に実装されたはんだ付け接合部の強
度を、簡易にしかも高精度に試験することができる等の
実用上多大なる効果が奏せられる。

【００３０】特に供試体固定ブロック４０が荷重機構２
０の側面に設けられていることから、供試体の形状に応
じた供試体固定ブロック４０を用意すれば、種々の形態
の供試体に対する強度信頼性試験を行うことができる等
の実用上多大なる効果が奏せられる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る材料試験機の全体的
な概略構成を、その一部を分解して示す斜視図。

【図２】図１に示す材料試験機の一部を断面として示し
た平面図および正面図。

【図３】上部供試体固定ブロックおよび下部供試体固定
ブロックの取付構造を示す斜視図。

【符号の説明】

１ 基台 １０ ブロック支持体 １１ ローラ機構 １２ Ｌ型アングル １３ バネ保持板 １４ 荷重センサ １５ 変位センサ ２０ 荷重機構 ２１ ピエゾ素子 ２２ 作動軸 ３０ 予荷重機構 ３１ コイルバネ ３２ 作動軸 ３３ 予荷重調整ネジ部 ４０ 供試体固定ブロック ４１ 上部供試体固定ブロック ４２ 下部供試体固定ブロック ４３ ピン ４４ 貫通孔 Ｓ 供試体

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 供試体の上部と下部との間に横方向の変
   位を加えて該供試体の強度を試験する材料試験機であっ
   て、 基台上にその上面に沿って水平方向に移動自在に設けら
   れたブロック支持体と、 前記ブロック支持体の外側面に支持されて前記供試体の
   上部を固定する上部供試体固定ブロックと、 前記基台に設けられ前記上部供試体固定ブロックの下方
   に位置付けられて前記供試体の下部を固定する下部供試
   体固定ブロックと、 前記基台上に固定され電圧の印加により厚みが変化し
   て、その変化方向に荷重を生起するピエゾ素子により該
   ブロック支持体に荷重を加えて水平方向の移動変位を生
   起する荷重機構と、 前記ブロック支持体と荷重機構との間に固定され、バネ
   長が可変設定されて弾性荷重が調整されるバネ機構によ
   り前記荷重機構に上記荷重とは逆向きの一定荷重を与え
   る予荷重機構とを具備したことを特徴とする材料試験
   機。
2. 【請求項２】 前記下部供試体固定ブロックは、前記上
   部供試体ブロックに設けられた貫通孔を貫通して、前記
   上部供試体ブロックを位置決めする位置決めピンを着脱
   自在に備えることを特徴とする請求項１に記載の材料試
   験機。