JP2005189064A - 小型疲労試験装置及び疲労試験方法 - Google Patents

Abstract

【課題】微小な供試体に対する高精度な疲労試験をその供試体の検査対象部品の材料特性に応じて効率的に行う。
【解決手段】小型疲労試験装置１１に備えられた磁歪アクチュエータ１８を制御装置２４にて駆動制御して供試体１５の疲労試験を行う。その際、制御装置２４では、寿命予測部３５を通じて予め供試体１５の検査対象となる部品の材料特性および疲労特性に基づいて当該検査対象部品の寿命を予測し、その予測結果として得られた寿命予測データに基づいて供試体１５を疲労試験する際の試験条件を決定する。この試験条件に従って磁歪アクチュエータ１８を駆動制御して疲労試験を行うことで、材料特性が異なる様々な部品に対し、これらの部品に適切な負荷を与えて疲労試験を効率的に行うことができる。
【選択図】 図４

Description

本発明は、供試体の材料特性を高精度に試験するための小型疲労試験装置及び疲労試験方法に関する。

金属材料や非金属材料の材料特性を評価するために、引張り試験や疲労試験等、種々の材料試験が行われている。一般に、材料特性試験は損傷を受ける構造物を模した供試体を用いて行われ、油圧アクチュエータ等の手段を用いて供試体に負荷し、上述の種々の材料特性評価試験を行う。

これに対し、プリント回路基板に実装している電子部品等は、実際に損傷を受ける実機構造物において、直接、電子部品等が実装された構造物そのものを採り出して材料特性評価試験を行うことになる。一方、プリント回路基板に実装している電子部品は、近年高密度実装化が進み、部品サイズやはんだ接合部の寸法が数ミリ以下と非常に小さくなる傾向にある。従って、かかるはんだ接合部等の強度を実機構造のそのままの状態で、通常の汎用的な材料試験装置により、高精度に試験を行うことは困難となっている。

そこで、試験装置自体を小型化し、微小な供試体に対して材料特性試験を行えるようにした小型材料試験装置が開発されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。この小型材料試験装置は、荷重発生源として圧電素子（ピエゾ素子）より成る圧電アクチュエータを用いて試験装置自体を小型化し、微小な大きさの供試体を試験できるようにしている。
特開２０００−２９８０８７号公報 特開２００１−１０８５８６号公報

しかしながら、圧電アクチュエータを用いた小型材料試験装置においては、大きな荷重を供試体に負荷することが困難であるという課題がある。大きな荷重を供試体に負荷するには、油圧アクチュエータを用いることが必要となるが、油圧アクチュエータを荷重発生源とした場合には、供試体をある程度以上の大きさにしなければ精度良く試験ができない。

さらに、油圧アクチュエータは、油を媒体に荷重を増幅するという原理を有することから、持ち運び可能で現地で試験が行えるような小型化には限度がある。このことから、採り出した供試体を試験装置の設置場所まで移動させることになり、迅速な試験が行えない。

また、上述したようにプリント回路基板の高密度実装化に伴い、部品サイズが超小型化していく現状の中で、単純に試験装置を小さくすれば、これらの疲労試験ができるわけではない。すなわち、小さい部品に対していかに精度よく均一に負荷を与えられるか、市場で発生している破壊モードを再現させるかなどを検討する必要があり、特に材料特性が異なる様々な部品を検査対象として疲労試験を行う場合には、これらの部品の材料特性に応じて、いかに効率良く各部品に対して適切な負荷を与えて疲労試験を行うことができるかを検討する必要がある。

本発明は上記のような点に鑑みなされたもので、微小な供試体に対する高精度な疲労試験をその供試体の検査対象部品の材料特性に応じて効率的に行うことのできる小型疲労試験装置及び疲労試験方法を提供することを目的とする。

本発明の小型疲労試験装置は、基台に装着された供試体を支持する支持機構と、この支持機構に支持された上記供試体に対して所定の負荷を与える磁歪アクチュエータとを備えた小型疲労試験装置において、予め上記供試体の検査対象となる部品の材料特性および疲労特性に基づいて当該検査対象部品の寿命を予測する寿命予測手段と、上記寿命予測手段によって得られた寿命予測データに基づいて上記供試体を疲労試験する際の試験条件を決定する試験条件決定手段と、この試験条件決定手段によって決定された試験条件に従って上記磁歪アクチュエータを駆動制御して疲労試験を行う駆動制御手段とを具備して構成される。

このような構成によれば、磁歪アクチュエータの駆動により供試体に対して実使用環境と同じ負荷を与えて、疲労試験を高精度に行うことができる。

この場合、疲労試験を行う前に、予め供試体の検査対象となる部品の材料特性および疲労特性に基づいて当該検査対象部品の寿命を予測しておき、その予測結果として得られた寿命予測データから上記供試体を疲労試験する際の試験条件を決めて磁歪アクチュエータを駆動制御することで、材料特性が異なる様々な部品に対し、これらの部品に適切な負荷を与えて疲労試験を効率的に行うことができる。

上記供試体は、例えば電子・電気機器に用いられるプリント回路基板であり、そのプリント回路基板上に実装された電子部品を検査対象として疲労試験を行う。

また、上記支持機構は、上記基台に装着された供試体の検査対象部品に対して曲げまたはねじりの負荷を与えるように上記供試体を支持することを特徴とする。これにより、供試体の検査対象部品に対して曲げまたはねじりの負荷を与えて疲労試験を行うことができる。

また、本発明の小型疲労試験装置は、上記供試体の疲労試験中にその検査対象部品の亀裂または破断を検出する亀裂・破断検出手段をさらに備え、上記駆動制御手段は、上記亀裂・破断検出手段によって上記検査対象部品の破断が検出された場合に上記磁歪アクチュエータの駆動を停止制御することを特徴とする。これにより、上記供試体の疲労試験中にその検査対象部品の亀裂または破断の状態を検出可能とし、破断が検出された場合に上記磁歪アクチュエータの駆動を停止制御してその時点で疲労試験を自動終了することができる。

また、上記亀裂・破断検出手段によって検出された上記供試体の検査対象部品の亀裂または破断の状態を表示する表示手段をさらに備えることで、上記供試体の疲労試験中にその検査対象部品の亀裂または破断の状態を画面上で観察することができる。

本発明の小型疲労試験装置によれば、例えばプリント回路基板に実装された電子部品などの微小な供試体に対して適切な負荷を均一に与えて高精度な疲労試験を行うことができる。この場合、疲労試験を行う前に、予め供試体の検査対象となる部品の寿命を予測し、その予測結果として得られた寿命予測データに基づいて試験条件を決めて磁歪アクチュエータを駆動制御することで、材料特性が異なる様々な部品に対し、これらの部品に適切な負荷を与えて疲労試験を効率的に行うことができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

図１は本発明の一実施形態に係る磁歪素子を用いた小型疲労試験装置の外観構成を示す斜視図である。

この小型疲労試験装置１１の基台本体１２の上部には基台１３ａ、１３ｂが設けられており、この基台１３ａ、１３ｂに電子部品１４を接合したプリント回路基板等の供試体１５が装着される。この供試体１５は、その両端を支持治具１６ａ、１６ｂで支持することにより基台１３ａ、１３ｂに装着される。

また、二つの支持治具１６ａ、１６ｂの間の供試体１５の下方に可動治具１７ａ、１７ｂが配置されている。この可動治具１７ａ、１７ｂは、基台本体１２に配置された磁歪アクチュエータ１８により直接あるいは間接的に駆動され、供試体１５に荷重あるいは変位を与えるものである。

磁歪アクチュエータ１８は、鉄を主成分とし希土類元素（例えば、テルビニウム、ディスプロシウム、ネオジウム、サマリウム等）を合金成分とした材料で、従来の磁歪素子に比べ２桁以上の磁歪（伸縮）が得られる「超磁歪素子」で構成されたアクチュエータであって、磁界の変化に伴い「超磁歪素子」を伸縮させ、可動治具１７ａ、１７ｂを駆動する。

この磁歪アクチュエータ１８は、高精度に微小な変位を制御できること、圧電素子より出力が大きいこと、圧電素子より高周波数で稼動すること、電源等の付帯設備が小さいことなどの特徴を有する。このことから、磁歪アクチュエータ１８を小型材料試験機の負荷駆動源として用いることによって、微小な供試体１５に対し高精度に微小変位を発生させることができると共に、装置全体の小型化を図ることが可能となる。

このような構成の小型疲労試験装置１１において、供試体１５の疲労試験を行う場合には、検査対象となる電子部品１４の部分が可動治具１７ａ、１７ｂ上に位置するように、供試体１５を基台１３ａ、１３ｂ上に載せて支持治具１６ａ、１６ｂにて固定する。そして、磁歪アクチュエータ１８を駆動し、その磁界変化に伴う伸縮作用により可動治具１７ａ、１７ｂを移動させて供試体１５に曲げの負荷を与えることで、供試体１５の疲労試験を行う。

図２は小型疲労試験装置１１の他の構成を示す図であり、支持治具１６ａ、１６ｂとして固定チャック１９ａ、１９ｂを用い、可動治具１７ａ、１７ｂとして可動チャック２０ａ、２０ｂを用いた場合の外観構成が一部省略して示されている。なお、図１に示した構成と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。

図２において、固定チャック１９ａ、１９ｂは供試体１５の両端部付近を挟んで支持し、供試体１５を基台１３ａ、１３ｂに固定する。また、可動チャック２０ａ、２０ｂは固定チャック１９ａ、１９ｂの間に位置し、供試体１５の内側部分を挟んで支持し、磁歪アクチュエータ１８により駆動されて可動する。

すなわち、この小型疲労試験装置１１では、固定チャック１９ａ、１９ｂでの支持点および可動チャック２０ａ、２０ｂでの力点において、供試体１５の電子部品１４の部分に対して上下方向に荷重あるいは変位を与えて、正と負との両方の曲げ応力を負荷する構成としている。

このように、磁歪アクチュエータ１８を供試体１５に負荷を与えるための駆動源として用いることで、小さな供試体１５に対して高精度に微小変位を発生させることができる。したがって、例えば電子・電気機器に使用するプリント回路基板やＩＣカード、また、これらに実装されているチップコンデンサ、チップ抵抗等の部品などを対象として、高精度な疲労試験を行うことができる。しかも、装置自体が小型、軽量で持ち運びが可能であるため、供試体を採取した現地でそのまま疲労試験を行うことができる。

次に、小型疲労試験装置１１を用いて疲労試験を行う場合のシステム構成について説明する。

図３はそのシステム構成を示す図であり、図２と同一部分には同一符号が付されている。小型疲労試験装置１１は、上述したように駆動源として磁歪アクチュエータ１８を備えており、この磁歪アクチュエータ１８の磁界変化に伴う伸縮作用により、可動チャック２０ａ、２０ｂを移動させて供試体１５に曲げの負荷を与える。

供試体１５は、例えばプリント回路基板であり、その表面上に電子部品１４がはんだ付けにて実装されている。この供試体１５の支持部材である固定チャック１９ａ、１９ｂや可動チャック２０ａ、２０ｂはそれぞれ水平方向にスライド可能な機構を有しており、供試体１５の支持位置を任意に調整可能としている。

また、この小型疲労試験装置１１には、荷重センサ２１および非接触変位計２２が備えられている。荷重センサ２１は、磁歪アクチュエータ１８と可動チャック２０ａ、２０ｂとの間に設けられて、供試体１５に負荷される荷重の値を検知する。この荷重センサ２１としては、例えばロードセルなどが用いられる。

非接触変位計２２は、可動チャック２０ａ、２０ｂの変位量を計測するものであり、その取り付け位置が変動しない箇所に取り付けられる。図３の例では、小型疲労試験装置１１が設置される場所の近傍の固定壁２３に非接触変位計２２を取り付けた場合を示している。この非接触変位計２２としては、例えばレーザ変位計あるいは渦電流式変位計などが用いられる。

荷重センサ２１および非接触変位計２２は制御装置２４に電気的に接続されており、疲労試験時において、これらのセンサ２１、２２の検出信号が制御装置２４に入力されるようになっている。

制御装置２４は、例えばパーソナルコンピュータ（ＰＣ）からなり、駆動装置２５を通じて小型疲労試験装置１１に備えられた磁歪アクチュエータ１８の駆動を制御する。駆動装置２５は、図４に示すように電源２６および発振機２７を備えており、制御装置２４からの指示に従って、磁歪アクチュエータ１８の駆動に必要な電力および周波数を制御する。

図４は制御装置２４の機能構成を示すブロック図である。

制御装置２４の構成を機能的に示すと、図４に示すように、フィードバック制御部３１、亀裂・破断検出部３２、データ表示部３３、駆動制御部３４、寿命予測部３５、各種データベース（ＤＢ）３６〜３９などが構成される。

（フィードバック制御機能）
制御装置２４に備えられたフィードバック制御部３１は、供試体１５の疲労試験時に磁歪アクチュエータ１８をフィードバック制御する部分であり、荷重検出部４１、荷重設定部４２、比較部４３、荷重−変位計算部４４、変位検出部４５、ひずみ設定部４６、比較部４７、差分演算部４８から構成される。

このフィードバック制御部３１について詳しく説明すると、疲労試験には「ひずみ制御試験」と「荷重制御試験」とがあり、この２つの制御試験に関して、以下のような手順でフィードバック制御を行うことになる。

「ひずみ制御試験」
（１）ひずみ制御試験は、供試体１５に所定のひずみを連続的に発生させて、その供試体１５の疲労の度合いを検査するものであり、「変位制御試験」とも呼ばれる。このひずみ制御試験を行う場合において、まず、ひずみの目標値をひずみ設定部４６に設定しておく。

（２）ひずみ目標値の設定後、磁歪アクチュエータ１８の駆動によりひずみ制御試験を開始する。

（３）試験中に供試体１５に負荷されている荷重は、小型疲労試験装置１１に備えられた荷重センサ２１にて検出される。この荷重センサ２１の検出信号は、荷重検出部４１にてデータ化されて荷重−変位計算部４４に与えられる。その際、この荷重検出部４１にて得られる荷重のデータが必要に応じてデータ表示部３３に表示される。

（４）ここで、予め行われる荷重センサ２１の試験により、荷重センサ２１に外部から与えられる荷重と、その際に荷重センサ２１に生じる変位量（すなわち、磁歪アクチュエータ１８に生じる変位量）との関係を求めておき、これをテーブル化して荷重−変位計算部４４にセットしておく。この荷重と変位量との対応テーブルを用いて、荷重−変位計算部４４では、現在与えられている荷重に対応した変位量を求める。

（５）一方、実際に供試体１５に生じている変位量（ひずみ量）は、小型疲労試験装置１１に備えられた非接触変位計２２にて検出され、変位検出部４５にてデータ化される。その際、この変位検出部４５にて得られた変位量のデータが必要に応じてデータ表示部３３に表示される。

（６）比較部４７では、上記変位検出部４５にて得られた実際の変位量（ひずみ量）と上記ひずみ設定部４６に設定されたひずみの目標値とを比較して両者の差分値を求め、差分演算部４８に与える。

差分演算部４８では、この差分値をゼロとするように現在の荷重に対する増減値を算出する。すなわち、例えばひずみの目標値が１．０ｍｍとして設定されており、現在の供試体１５の変位量（ひずみ量）が０．８ｍｍであったとすると、差分演算部４８では、その差分値である０．２ｍｍを補うのに必要な荷重の増減値を荷重−変位計算部４４から得られる現在の荷重に基づいて算出する。

（７）駆動制御部３４では、このようにして求められたれた荷重の増減値に基づいて磁歪アクチュエータ１８に供給すべき電流値や周波数の制御信号を生成し、その制御信号を駆動装置２５に出力して磁歪アクチュエータ１８を駆動制御する。

「荷重制御試験」
（１）荷重制御試験とは、供試体１５に所定の荷重を連続的に与えて、その疲労の度合いを試験するものである。この荷重制御試験を行う場合において、まず、荷重の目標値を荷重設定部４２に設定しておく。

（２）荷重目標値を設定後、磁歪アクチュエータ１８の駆動によりひずみ制御試験を開始する。

（３）試験中に供試体１５に負荷されている荷重は、小型疲労試験装置１１に備えられた荷重センサ２１にて検出される。この荷重センサ２１の検出信号は、荷重検出部４１にてデータ化されて比較部４３に与えられる。その際、この荷重検出部４１にて得られた荷重のデータが必要に応じてデータ表示部３３に表示される。

（４）一方、非接触変位計２２にて検出される変位は変位検出部４５にてデータ化され、そのデータが必要に応じてデータ表示部３３に表示される。

（５）ここで、比較部４３では、荷重検出部４１にて得られた実際の荷重と荷重設定部４２に設定された荷重の目標値とを比較し、その差分量を算出して駆動制御部３４に出力する。

（６）駆動制御部３４では、この差分量をゼロとする荷重の増減値に基づいて磁歪アクチュエータ１８に供給すべき電流値や周波数の制御信号を生成し、その制御信号を駆動装置２５に出力して磁歪アクチュエータ１８を駆動制御する。

（亀裂・破断検出機能）
また、制御装置２４には亀裂・破断検出部３２が備えられており、上述したひずみ制御試験または荷重制御試験による疲労試験中に供試体１５の検査対象部品の亀裂や破断の発生を検出する。この場合の亀裂・破断の検出方法として、例えば抵抗、電流、電圧などの電気的な変化を検出する方法と、ひずみ、荷重などの機械的な変化を検出する方法がある。

図５に電気的変化を検出する場合の一例を示す。検査対象部品である電子部品１４に電源５１、抵抗計５２を有する回路５３を接続して、この回路５３の抵抗値の変化で抵抗計５２で捕らえて亀裂の有無、破断の検出を行う。この抵抗値は常にデータ表示部３３に表示される。破断を検知した場合（つまり、抵抗値が無限大になった場合）には、亀裂・破断検出部３２は駆動制御部３４に対して試験停止の信号を送信する。

また、別の方法として、熱的変化を検出する方法もある。これは、例えばサーモビューアを使用して、検査対象部品である電子部品１４の亀裂、破断を熱的に検出するものである。さらに、疲労による劣化兆候として、表面が荒れて光沢がなくなってくる現象がある。この表面の荒れに伴う光沢の変化を光センサにて検出することで、電子部品１４の亀裂、破断を検出することも可能である。

（寿命予測機能）
図６は供試体１５の支持位置を示す図、図７は供試体１５の支持位置とその供試体１５上の電子部品１４に生じる弾性ひずみとの関係を示す図であり、横軸が支持位置［ｍｍ］、縦軸が弾性ひずみ［％］を表している。

今、図６に示すように、検査対象とする電子部品１４から例えば２．５ｍｍ、４．５ｍｍ、６．５ｍｍ、８．５ｍｍ、１０．５ｍｍといったように、供試体１５の支持位置を変えて疲労試験を行うものとする。

図７に示すように、上記各支持位置について、電子部品１４が破断するまでの供試体１５の振動回数をプロットしていくと、電子部品１４から２．５ｍｍの箇所を支持位置とした場合には、供試体１５に約０．９％のひずみを与えた場合に１０^３回程度で電子部品１４が破断することが分かる。また、４．５ｍｍの箇所を支持位置とした場合には、供試体１５に約０．５％のひずみを与えた場合には１０^４回程度で電子部品１４が破断し、１０．５ｍｍの箇所を支持位置とした場合には、供試体１５に約０．１％のひずみを与えた場合には１０^７回程度で供試体１５が破断することが分かる。

制御装置２４には、このような各支持位置に対するひずみ量と破断するまでの回数などを解析処理して、その部品の寿命を表した寿命予測図を作成するための寿命予測部３５が備えられている。

また、この寿命予測部３５に用いられるデータベース（ＤＢ）として、検査対象部品の解析結果を記憶する検査対象ＤＢ３６、予め各種部品に関する材料特性が記憶された材料特性ＤＢ３７、予め各種部品に関する疲労特性が記憶された疲労特性ＤＢ３８、予測結果として得られた試験検査部品の寿命予測図を記憶する寿命特性ＤＢ３９などが備えられている。

以下に、この制御装置２４の処理動作について、フローチャートを参照しながら詳しく説明する。なお、以下のフローチャートで示される各処理は、コンピュータである制御装置２４が所定のプログラムを読み込むことで実行される。

図８は制御装置２４によって実行される疲労試験に関する全体の処理動作を示すフローチャートである。

まず、検査対象となる部品を決定する（ステップＡ１１）。制御装置２４は、この検査対象部品をモデル化した後（ステップＡ１２）、ＦＥＭ（finite element method）解析を行って（ステップＡ１３）、その解析結果を検査対象ＤＢ３６に格納する（ステップＡ１４）。

次に、制御装置２４は、この検査対象ＤＢ３６に格納された検査対象部品の解析結果に基づいて材料特性ＤＢ３７および疲労特性ＤＢ３８を検索し、その検査対象部品に関する材料特性データと疲労特性データを取得する。そして、これらのデータを用いて当該検査対象部品の寿命をシミュレーションすることで、図７に示すような寿命予測図を作成する（ステップＡ１５）。ここで作成された寿命予測図は当該検査対象部品に関連付けられて寿命特性ＤＢ３９に保持される（ステップＡ１６）。

寿命予測図が作成されると、制御装置２４はこの寿命予測図を参照して当該検査対象部品の試験条件を決定する（ステップＡ１７）。上記試験条件には、検査対象部品の支持位置に対するひずみの量と破断するまでの回数などが含まれ、これらはデータ表示部３３に表示されて検査員に提示される。これにより、検査員は疲労試験を行う際に、どの位置で供試体１５の電子部品１４を支持することが良いのか、どのくらいの負荷を与えることが最適であるのかなどを事前に知ることができ、それに合わせて疲労試験の調整を行うことができる。

ここで、試験開始の指示があると、制御装置２４は駆動装置２５を通じて磁歪アクチュエータ１８を駆動して疲労試験を実行する（ステップＡ１８）。疲労試験終了後、制御装置２４は、供試体１５のどこに亀裂に生じたか、いつ破断したかなどを分析して、これらのデータを試験結果として表示部３３に表示して（ステップＡ１９）、ここでの一連の処理を終える。

次に、図９を参照して上記ステップＡ１８で実行される疲労試験の動作について説明する。

図９は制御装置２４の疲労試験時の処理動作を示すフローチャートである。上述したように、疲労試験には「ひずみ制御試験」と「荷重制御試験」とがあり、この２つの制御試験に関して、制御装置２４に設けられたフィードバック制御部３１を通じて磁歪アクチュエータ１８に対するフィードバック制御が行われる。

疲労試験として「ひずみ制御試験」を行う場合において（ステップＢ１１）、制御装置２４は、上記寿命予測処理にて得られた試験条件に基づいてひずみ制御量を設定した後（ステップＢ１２）、このひずみ制御量に基づいて磁歪アクチュエータ１８を駆動制御する（ステップＢ１４）。この磁歪アクチュエータ１８の駆動に伴い、可動チャック２０ａ、２０ｂを介して供試体１５の電子部品１４の部分に対して所定の負荷がかけられることになる。

この間、供試体１５に負荷されている荷重が荷重センサ２１にて検出されると共に（ステップＢ１５）、実際に供試体１５に生じているひずみ量が非接触変位計２２にて検出される（ステップＢ１６）。図４で説明したように、制御装置２４では、これらのデータをフィードバック制御部３１に備えられた荷重検出部４１、変位検出部４５を通じて入力することで、供試体１５に生じているひずみ量と予め設定されたひずみの目標値との差分をゼロとするようようなフィードバック制御を行う（ステップＢ１７）。これにより、試験中において、供試体１５に常に一定のひずみが生じるように磁歪アクチュエータ１８が駆動制御されることになる。

また、「荷重制御試験」についても同様であり、上記寿命予測処理にて得られた試験条件に基づいて荷重制御量が設定された後（ステップＢ１３）、その荷重制御量に基づく磁歪アクチュエータ１８の駆動により、供試体１５に所定の負荷が与えられる（ステップＢ１４）。その際、供試体１５に負荷されている実際の荷重が荷重センサ２１にて検出され（ステップＢ１５）、その荷重の値と予め設定された荷重の目標値との差分をゼロとするようようなフィードバック制御が行われる（ステップＢ１７）。これにより、試験中において、供試体１５に常に一定の荷重を与えるように磁歪アクチュエータ１８が駆動制御されることになる。

ここで、「ひずみ制御試験」または「荷重制御試験」の疲労試験中において、制御装置２４は電子部品１４の疲労状態を亀裂・破断検出部３２を通じて監視している（ステップＢ１８）。上述したように、亀裂・破断検出部３２は、例えば図５に示すように抵抗値の変化に基づいて電子部品１４の亀裂や破断を検出する。

この亀裂・破断検出部３２によって電子部品１４に亀裂が生じたことが検出されると（ステップＢ１８のＮｏ）、制御装置２４はその旨をデータ表示部３３に表示するなどして、検査員に試験を続行する否かを確認する（ステップＢ１９）。そして、試験中止の指示があれば、制御装置２４は磁歪アクチュエータ１８の駆動を直ちに停止し（ステップＢ２１）、その際に例えば亀裂の発生箇所などを含む試験結果データを抽出して（ステップＢ２２）、ここでの疲労試験処理を終える。

一方、試験中止の指示がなければ、制御装置２４は亀裂・破断検出部３２にて破断が検出されるまで疲労試験を続行する。そして、亀裂・破断検出部３２にて破断が検出された時点で（ステップＢ２０のＹｅｓ）、制御装置２４は磁歪アクチュエータ１８の駆動を停止し（ステップＢ２１）、その際に例えば破断の発生箇所などを含む試験結果データを抽出して（ステップＢ２２）、ここでの疲労試験処理を終える。

このように、小型疲労試験装置１１を用いて供試体１５の疲労試験を行う場合に、制御装置２４において、予め検査対象となる部品の寿命を予測しておき、その予測結果として得られた寿命予測データに基づいて支持位置などの試験条件を決めて磁歪アクチュエータ１８を駆動制御することで、材料特性が異なる様々な部品に対し、これらの部品に適切な負荷を与えて疲労試験を効率的に行うことができる。

なお、上記実施形態では、小型疲労試験装置１１を用いて供試体１５に上下方向の曲げの負荷を与えるようにしたが、図１０に示すように、固定チャック１９ａ、１９ｂ、可動チャック２０ａ、２０ｂのそれぞれの供試体１５との接触面に左右対称に凸部６１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂを設けることで、供試体１５に対してねじりの負荷を与えることも可能である。

また、供試体１５の負荷がかけられた部分の疲労状態つまり電子部品１４の疲労状態を観察する方法として、図１１に示すように、例えばＣＣＤカメラ等の撮像装置６３を供試体１５の上部に設置して、電子部品１４を撮影するようにしても良い。この撮像装置６３にて撮影された電子部品１４の画像はデータ表示部３３にて拡大表示され、さらに、必要に応じてデータ記録部３４に記録される。これにより、電子部品１４の亀裂発生時期、発生点、亀裂の進展経路や破断の経緯など、電子部品１４の疲労状態を詳しく観察することができる。

また、実使用環境を再現するため、図１２に示すように、供試体１５を囲う空間に、加熱や冷却が可能な温度調整機構６５ａ、６５ｂを備えた環境槽６６を設置し、制御装置２４にて温度調整機構６５ａ、６５ｂを制御することで環境槽６６内の温度調整を行う構成としても良い。これにより、供試体１５を実際に使用する温度環境下で疲労試験を高精度に行うことができる。

また、上記実施形態では、小型疲労試験装置１１として横型の装置（供試体１５を横にして支持する装置）を例にして説明したが、図１３に示すような縦型の小型疲労試験装置７１でも上記同様の疲労試験を行うことが可能である。

図中の７２は供試体（試験片）であり、この供試体７２を縦にした状態でその両端部を可動部７３と固定部７４とで挟持して支持する機構を備える。また、駆動源として磁歪アクチュエータ７５を備えており、この磁歪アクチュエータ７５にて可動部７３を垂直方向に駆動して、供試体７２に伸縮の負荷を与える構成としている。

このような構成の小型疲労試験装置７１を用いて疲労試験を行う場合でも、上記実施形態と同様に、予め供試体７２の寿命を予測しておき、その予測結果として得られるデータに基づいて供試体７２に対応した最適な試験条件を設定することで、疲労試験を効率的に行うことができる。

要するに、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。更に、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態で示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、「発明が解決しようとする課題」で述べた効果が解決でき、「発明の効果」の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。

また、上記実施形態において記載した手法、つまり、図８および図９のフローチャートに示した各処理は、コンピュータに実行させることのできるプログラムとして、例えば磁気ディスク（フロッピーディスク、ハードディスク等）、光ディスク（ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ等）、半導体メモリなどの記録媒体に書き込んで各種装置に適用したり、通信媒体により伝送して各種装置に適用することも可能である。本装置を実現するコンピュータは、記録媒体に記録されたプログラムを読み込み、このプログラムによって動作が制御されることにより、上述した処理を実行する。

本発明の一実施形態に係る磁歪素子を用いた小型疲労試験装置の外観構成を示す斜視図。 上記小型疲労試験装置の他の構成を示す斜視図であり、支持治具として固定チャックを用い、可動治具として可動チャックを用いた場合の外観構成を一部省略して示す図。 上記小型疲労試験装置を用いて疲労試験を行う場合のシステム構成を示す図。 上記小型疲労試験装置の駆動を制御するための制御装置の機能構成を示すブロック図。 上記制御装置に備えられた亀裂・破断検出部における電気的変化を検出する場合の一例を示す図。 上記小型疲労試験装置に用いられる供試体の支持位置を示す図。 供試体の支持位置とその供試体上の電子部品に生じる弾性ひずみとの関係を示す図。 上記制御装置によって実行される疲労試験に関する全体の処理を示すフローチャート。 上記制御装置によって実行される疲労試験時の処理動作を示すフローチャート。 上記小型疲労試験装置の他の構成として、供試体に対してねじりの負荷を与える場合の構成を示す図。 上記小型疲労試験装置の他の構成として、ＣＣＤカメラ等の撮像装置を設置した場合の構成を示す図。 上記小型疲労試験装置の他の構成として、温度調整機構を備えた環境槽を設置した場合の構成を示す図。 上記小型疲労試験装置の他の構成として、縦型の装置にて疲労試験を行う場合の構成を示す図。

符号の説明

１１…小型疲労試験装置、１２…基台本体、１３ａ，１３ｂ…基台、１４…電子部品、１５…供試体、１６ａ，１６ｂ…支持治具、１７ａ，１７ｂ…可動治具、１８…磁歪アクチュエータ、１９ａ，１９ｂ…固定チャック、２０ａ，２０ｂ…可動チャック、２１…荷重センサ、２２…非接触変位計、２３…固定壁、２４…制御装置、２５…駆動装置、２６…電源、２７…発振機、３１…フィードバック制御部、３２…亀裂・破断検出部、３３…データ表示部、３４…駆動制御部、３５…寿命予測部、３６〜３９…各種データベース、４１…荷重検出部、４２…荷重設定部、４３…比較部、４４…荷重−変位計算部、４５…変位検出部、４６…ひずみ設定部、４７…比較部、４８…差分演算部、５１…電源、５２…抵抗計、５３…回路、６１ａ，６１ｂ，６２ａ，６２ｂ…凸部、６３…撮像装置、６４…データ記録部、６５ａ，６５ｂ…温度調整機構、６６…環境槽。

Claims (7)

1. 基台に装着された供試体を支持する支持機構と、この支持機構に支持された上記供試体に対して所定の負荷を与える磁歪アクチュエータとを備えた小型疲労試験装置において、
   予め上記供試体の検査対象となる部品の材料特性および疲労特性に基づいて当該検査対象部品の寿命を予測する寿命予測手段と、
   上記寿命予測手段によって得られた寿命予測データに基づいて上記供試体を疲労試験する際の試験条件を決定する試験条件決定手段と、
   この試験条件決定手段によって決定された試験条件に従って上記磁歪アクチュエータを駆動制御して疲労試験を行う駆動制御手段と
   を具備したことを特徴とする小型疲労試験装置。
2. 上記供試体は電子・電気機器に用いられるプリント回路基板であり、そのプリント回路基板上に実装された電子部品を検査対象として疲労試験を行うことを特徴とする請求項１記載の小型疲労試験装置。
3. 上記支持機構は、上記基台に装着された供試体の検査対象部品に対して曲げまたはねじりの負荷を与えるように上記供試体を支持することを特徴とする請求項１記載の小型疲労試験装置。
4. 上記供試体の疲労試験中にその検査対象部品の亀裂または破断を検出する亀裂・破断検出手段をさらに備え、
   上記駆動制御手段は、上記亀裂・破断検出手段によって上記検査対象部品の破断が検出された場合に上記磁歪アクチュエータの駆動を停止制御することを特徴とする請求項１記載の小型疲労試験装置。
5. 上記亀裂・破断検出手段によって検出された上記供試体の検査対象部品の亀裂または破断の状態を表示する表示手段をさらに備えたことを特徴とする請求項４記載の小型疲労試験装置。
6. 基台に装着された供試体を支持する支持機構と、この支持機構に支持された上記供試体に対して所定の負荷を与える磁歪アクチュエータとを備えた小型疲労試験装置をコンピュータにより制御して上記供試体の疲労試験を行う疲労試験方法において、
   予め上記供試体の検査対象となる部品の材料特性および疲労特性に基づいて当該検査対象部品の寿命を予測するステップと、
   上記寿命予測によって得られた寿命予測データに基づいて上記供試体を疲労試験する際の試験条件を決定するステップと、
   上記試験条件に従って上記磁歪アクチュエータを駆動制御して疲労試験を行うステップと
   を備えたことを特徴とする疲労試験方法。
7. 上記供試体の疲労試験中にその検査対象部品の亀裂または破断を検出するステップと、
   上記検査対象部品の破断が検出された場合に上記磁歪アクチュエータの駆動を停止制御するステップと
   をさらに備えたことを特徴とする疲労試験方法。

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