JP5428951B2 - 破壊強度測定装置及び破壊強度測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、積層セラミック電子部品などの測定対象物の破壊強度を測定するための破壊強度測定装置及び破壊強度測定方法に関する。

近年、携帯電話機などの電子機器の小型化が進んでいる。そのため、電子機器に搭載されるセラミック電子部品などにおいても、小型化や薄型化が強く求められている。近年、例えば、平面形状は１．０ｍｍ×０．５ｍｍであり、高さが０．３ｍｍ以下のような非常に薄い小型のセラミック電子部品が開発されている。

ところで、セラミック電子部品は、セラミック素体の外表面及び／または内部に電極を形成した構造を有する。薄型化が進むと、セラミック素体が薄くなる。そのため、実装基板にセラミック電子部品を実装する際の機械的衝撃により、セラミック素体にクラックが生じたり、またはセラミック素体が割れたりすることがある。

そこで、予めセラミック電子部品の抗折強度を測定し、測定された抗折強度に応じて実装時の衝撃を低めたり、あるいは実装時の衝撃に耐えられるようにセラミック電子部品自体の強度を高めたりする必要が生じてきている。従って、セラミック電子部品の抗折強度をより正確に測定することが望まれている。

従来、割れやすい材料の抗折強度を測定する装置として、様々な装置が提案されている。例えば、下記の特許文献１には、薬剤としての錠剤状試料の抗折強度を測定する装置が開示されている。

図１１に示すように、この抗折強度測定装置１０１では、錠剤１０２が、支持台１０３により支持されている。支持台１０３は、上面に２つの支持突起１０３ａ，１０３ａを有する。この支持突起１０３ａ，１０３ａにより、錠剤１０２が支持されている。そして、錠剤１０２の上方から負荷を与えるために、ポンチ１０４を降下させる。ポンチ１０４は、支持突起１０３ａ，１０３ａ間の中央領域において、錠剤１０２に当接される。従って、錠剤１０２に三点曲げ負荷が加えられる。錠剤１０２が折れたときのポンチ１０４による荷重値を抗折強度とする。

なお、上記ポンチ１０４により加えられる荷重を検出するには、従来、一般にポンチなどの押圧部分にロードセルを接続し、ロードセルにより荷重が検出されている。

他方、図１２は、従来の抗折強度測定装置の他の例を示す模式的正面図である。ここでは、抗折強度測定装置１１１において、ステージ１１２上に、測定対象物１１３が載置されている。測定対象物１１３の上方から押圧子１１４を当接し、荷重を加える。押圧子１１４には、荷重印加部１１５が接続されている。この荷重印加部１１５は、押圧子１１４から出される荷重を検出するロードセルをも有する。また、荷重印加部１１５においては、ロードセルに変位センサーが接続されている。そして、押圧子１１４が変位した場合、その変位量が変位センサーにより検知される。

押圧子１１４により荷重を加えながら、測定対象物１１３を下方に押し込んでいくと、ある段階で測定対象物１１３が割れる。そのため、押圧子１１４が測定対象物１１３の上面から一定距離下方位置まで急速に降下することとなる。この際の押圧子１１４の変位量と、予め求められていた変位量と押圧子１１４から加わる荷重との関係とから、測定対象物が割れた際の荷重を高精度に求めることができる。この荷重の値が抗折強度とされる。

特開２００１−３４３１１号公報

図１２に示す抗折強度測定装置１１１では、測定対象物１１３が割れた際の押圧子１１４の下方への急激な変位量に基づき、抗折強度を正確に求めることができるとされている。

しかしながら、前述したように、セラミック電子部品の小型化及び薄型化が進むと、押圧子１１４により荷重を印加した場合、測定対象物１１３してとのセラミック電子部品が瞬時に割れることとなる。そのため、割れる際の荷重印加速度の勾配が急峻となりすぎ、同じ仕様のセラミック電子部品を測定した場合であっても、測定結果が大きくばらつくという問題があった。

また、図１２に示したような従来の抗折強度測定装置では、測定対象物１１３が割れた後の押圧子１１４の変位に基づき、割れた瞬間の荷重を推定しているため、実際に測定対象物１１３が破壊された瞬間に加わっている荷重を正確に測定することはできなかった。

従って、小型化及び薄型化が進んでいるセラミック電子部品の実装条件の改善や部品強度設計の変更を高精度にかつ確実に行うことは非常に困難であった。

本発明の目的は、上述した従来技術の欠点を解消し、測定対象物の小型化や薄型化、特に薄型化が進み、割れやすくなった場合でも、測定対象物の強度を高精度に測定することが可能である破壊強度測定装置を提供することにある。

本発明によれば、測定対象物に対して荷重を印加するための荷重印加装置と、前記測定対象物を載置するためのステージと、前記荷重印加装置から印加された荷重により、前記測定対象物を押圧する押圧子と、前記測定対象物に荷重を印加することにより、測定対象物が破壊したときの該測定対象物の変化を検知するセンサーと、前記センサーが前記測定対象物が破壊したときの前記変化を検知したときの荷重印加装置が押圧子を印加していた荷重を測定する荷重測定装置とを備え、前記センサーが、前記測定対象物自体の変化を検知するセンサーであり、かつ前記荷重印加装置と前記押圧子との間に挿入された弾性体をさらに備える破壊強度測定装置であって、前記ステージが、ベース部材と、前記ベース部材上に配置されており、かつ、上面に前記測定対象物が載置される支持部とを有し、前記支持部の下面に貫通孔が形成されており、前記貫通孔内に前記センサーが位置していることを特徴とする、破壊強度測定装置が提供される。

本発明に係る破壊強度測定装置のある特定の局面では、上記センサーがＡＥセンサーであり、その場合には、測定対象物自体の変化を非接触的に高精度に検出することができる。

本発明に係る破壊強度測定装置の他の特定の側面では、前記貫通孔の周囲において、前記支持部が前記ベース部材により支持されており、前記センサーの検出部が前記貫通孔内において前記支持部の下面に接続されている。この場合には、センサーにより測定対象物の変化をより一層高精度に検出できる。また、支持部の下面の外周部において支持部がベース部材により安定に支持される。従って、破壊強度をより一層高精度に測定することができる。

好ましくは、前記ベース部材と前記支持部材との間に配置されており、振動の伝達を抑制する緩衝材がさらに備えられている。この場合には、外部からの振動や衝撃等による影響を緩衝材により緩和し、測定対象物の破壊強度をより一層高精度に測定することができる。

本発明に係る破壊強度測定装置のさらに別の特定の局面では、前記ステージの前記ベース部材内に前記センサーが収納されており、その場合には、破壊強度測定装置の小型化を図ることができる。

本発明に係る破壊強度測定方法は、本発明従って構成された破壊強度測定装置を用いた測定対象物の破壊強度を測定する方法であって、前記ステージに前記測定対象物を載置する工程と、前記荷重印加装置から荷重を印加し、前記押圧子により、測定対象物を押圧する工程と、前記測定対象物の変化を検知するセンサーにより、前記測定対象物が荷重の印加により破壊したときの変化を検知し、該測定対象物が破壊したときの変化を検知したときの前記荷重印加装置により押圧子を印加していた荷重を測定する工程とを備える。

本発明に係る破壊強度測定装置及び破壊強度測定方法によれば、測定対象物が破壊したときの測定対象物の変化がセンサーで検知されるので、すなわち測定対象物自体の変化により測定対象物の破壊地点が高精度に検出されるので、測定対象物が破壊した瞬間の押圧子により印加していた荷重を高精度に測定することができる。従って、測定対象物が小型化、特に薄型化し、非常に割れやすい場合であっても、測定対象物の破壊強度を高精度に測定することが可能となる。

また、荷重印加装置と押圧子との間に弾性体が挿入されているので、荷重印加速度の立ち上がりが緩やかとなり、測定対象物が瞬時に割れることを防止することができる。さらに、サーボモータ等の高精度の昇降装置や、サンプリング周波数の高い高精度の計測装置が不要となり、安価でシンプルな構造の抗折強度測定装置を提供することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る破壊強度測定装置の正面図である。 本発明の一実施形態に係る破壊強度測定装置の側面図である。 本発明の一実施形態に係る破壊強度測定装置の要部を示す部分正面図である。 （ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態の破壊強度測定装置で測定される測定対象物としてのセラミック電子部品を示す正面図及び平面図である。 （ａ）及び（ｂ）は、本発明の破壊強度測定装置の変形例における押圧子の形状を説明するための模式的正面図及び平面図である。 本発明の一実施形態の破壊強度測定装置の支持部の構造を示すための模式的正面図である。 本発明の一実施形態の破壊強度測定装置に用いられるロードセルを示す模式図である。 本発明の一実施形態の破壊強度測定装置で用いられるブリッジ回路を示す回路図である。 本発明の一実施形態の破壊強度測定装置の概略ブロック図である。 本発明の一実施形態に係る破壊強度測定装置において、オシロスコープによりロードセル及びＡＥセンサーから入力される電流をモニターにした結果を示す図である。 従来の抗折強度測定装置を示す正面図である。 従来の抗折強度測定装置の他の例を説明するための模式的正面図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。

図１は、本発明の一実施形態に係る破壊強度測定装置の部分断面正面図であり、図２はその側面図である。

破壊強度測定装置１は、測定対象物を載置するためのステージ２を有する。ステージ２は、ベース部材３と、ベース部材３に支持された支持部４とを有する。より具体的には、ベース部材３は、剛体からなるプレート５と、同じく剛体からなる筒状部材６とを有する。プレート５が、床上などに載置される部分である。そして、筒状部材６の下端には、フランジ部６ａが設けられている。このフランジ部６ａにおいて、筒状部材６がボルト７，７によりプレート５に固定されている。

筒状部材６内には、支持部４及びＡＥセンサー１２が配置されている。図６に示すように、より具体的には、支持部４は、上面に開いた凹部４ａを有する。支持部４は、金属等の剛性材料からなる。支持部４は、ベース部材３の上記筒状部材６内に固定的に設けられた台座６ｂに収納されている。台座６ｂは、筒状部６内に形成されており、上方に開いた有底の開口部を有する。

台座６ｂの底面に、緩衝材１１が配置されている。緩衝材１１として、本実施形態では、ウレタン樹脂シートが用いられている。もっとも、ウレタン樹脂シートに限らず、緩衝材１１上に配置される支持部４と台座６ｂとの間の振動の伝達を抑制し得る限り、適宜の弾性材料により緩衝材１１を形成することができる。

台座６ｂにおいては、底面中央に貫通孔６ｃが形成されている。この貫通孔６ｃ内に、ＡＥセンサー１２が位置している。すなわち、ＡＥセンサー１２はベース部材３内に収納されている。ＡＥセンサー１２の上端に位置している検出面１２ａが支持部４の下面に当接されている。

ＡＥセンサー１２は、周知の音響放出センサーである。すなわちＡＥセンサー１２は、圧電共振子を用いて構成されており、支持部４の内部に配置された後述の測定対象物１３が破壊したときの音波を瞬時に測定することかできる。すなわち、ＡＥセンサー１２を用いることにより、測定対象物自体の破壊時の変化を瞬時に検知することができる。

なお、本実施形態では、ＡＥセンサー１２を用いたが、本発明においては、測定対象物の破壊時点を瞬時に検出し得る限り、例えば、電流の変化を検出するセンサーを用いてもよい。このような電流の変化を検出することにより、破壊時点を検出することができるセンサーとしては、ステージ上に一対の電極ランドを形成し、該一対の電極ランドにまたがるように測定対象物を載置し、一対の電極ランド間に電圧を印加し、漏れ電流を電流計で検出するセンサーが挙げられる。測定対象物が破壊すると、電流計における電流値が変化するため、測定対象物の破壊時点を瞬時に検出することができる。

なお、本発明においては、上記測定対象物の破壊時点を検出するセンサーとしては、上記音や電流を用いたものに限定されるものではないが、いずれにしても、押圧子ではなく、測定対象物１３自体の破壊時の変化を、センサーにより検出することが必要である。

図１に戻り、上記支持部４内に配置された測定対象物１３上に、押圧子１４が配置されている。図３に拡大して示すように、押圧子１４は、筒状の本体１５と、本体１５の下端から下方に延びるように設けられた押圧ピン１６とを有する。押圧ピン１６の先端には、先端にいくにつれて径が小さくなるようにテーパーがつけられて、円錐部１６ａが設けられている。円錐部１６ａの先端により、測定対象物１３が押圧される。

押圧子本体の上端開口内周面には、雌ねじが形成されている。押圧子１４は、第１のプレート１７の下面に固定されている。固定は、第１のプレート１７に設けられた貫通孔を介して、上記押圧子の本体１５の雌ねじに固定ねじ１８をねじ込むことにより行われている。

他方、第１のプレート１７の上方には、第１のプレート１７と対向するように、第２のプレート１９が配置されている。第２のプレート１９においては、上記押圧子１４が設けられている領域よりも外側、すなわち外周縁近傍に、貫通孔１９ａ，１９ｂが形成されている。第２のプレート１９の貫通孔１９ａ，１９ｂに、筒状スペーサー２３，２３が挿入されており、この筒状スペーサー２３が、ボルト２４及びナット２５によりプレート１９に固定されている。筒状のスペーサー２３，２３をシャフト２０，２０が上下に移動可能に挿通されている。シャフト２０，２０の下端は、第１のプレート１７に固定されている。シャフト２０，２０は、貫通孔１９ａ，１９ｂを挿通し、上方に延ばされている。そして、シャフト２０，２０には、プレート１７，１９間において、バネ２１，２２が外挿されている。バネ２１，２２は、第２のプレート１９に対して第１のプレート１７を下方に付勢するように設けられている。

図１及び図２に戻り、第２のプレート１９の上方には、押圧子１４により測定対象物１３に加えられる荷重を検出するためのロードセル３１が内蔵された荷重検出部３２が配置されている。また、荷重検出部３２の上方には、荷重印加装置としての昇降装置３３が連結されている。

昇降装置３３は、昇降装置３３より下方の部分、すなわち荷重検出部３２、並びに荷重検出部３２に連結された第２のプレート１９とを一体的に昇降させる。従って、第２のプレート１９が降下されると、それに伴って、第１のプレート１７及び押圧子１４も降下されることとなる。

もっとも、プレート１７，１９間においては、上記シャフト２０，２０に、バネ２１，２２が外挿されているため、押圧子１４から測定対象物１３に加わる荷重印加速度の立ち上がりは穏やかとなる。従って、測定対象物１３が瞬時に割れることを防止することができる。

なお、本実施形態は、このような荷重印加速度の立ち上がりを穏やかにするための弾性体として、上記バネ２１，２２を用いたが、バネ以外の適宜の弾性体を用いることができる。すなわち、押圧子１４から測定対象物１３に加わる荷重の荷重印加速度の立ち上がりを穏やかにし得る限り、押圧子と荷重検出部３２との間に、適宜の弾性体を介在させればよい。

次に、本実施形態の破壊強度測定装置の仕様方法及び動作を説明する。

本実施形態では、図４（ａ）及び（ｂ）に示す積層セラミック電子部品３４の破壊強度を測定する。積層セラミック電子部品３４は、セラミック素体３５と、外部電極３６，３７とを有する。セラミック素体３５は、セラミックスからなるため、脆性破壊しやすい。また、積層セラミック電子部品３４では、セラミック素体３５の厚みが薄くなると、それに伴って、押圧子１４による押圧力によって非常に割れやすくなる。

本実施形態では、先ず、上記積層セラミック電子部品３４を、ベース部材３中の台座６ｂ上に配置されている支持部４内に載置する。その状態で、支持部４の下方のＡＥセンサー１２を駆動する。ＡＥセンサー１２は、所定の音波を支持部４側に発射し、測定対象物１３から戻ってきた音波を測定し、測定対象物１３の変化を音波の変化により検出する。

次に、昇降装置３３を駆動し、荷重検出部３２を介して第２のプレート１９を降下する。第２のプレート１９が降下すると、バネ２１，２２が圧縮され、しかる後、バネ２１，２２の付勢力を受けて第１のプレート１７の下方に移動する。その結果、押圧子１４の押圧ピン１６の先端から荷重が穏やかに測定対象物１３に加わる。

昇降装置３３により、降下を持続すると、押圧子１４から加わる荷重が次第に高くなり、測定対象物１３が破壊する。破壊した瞬間は、ＡＥセンサー１２の出力により直ちに検出することができる。破壊時点における荷重をロードセル３１により検出し、測定対象物１３の破壊強度とする。

以下、上記測定の流れをより具体的に説明する。

図７は、上記ロードセル３１を示す模式図である。昇降装置により加重が印可されると、Ｓ字形状のロードセル本体３１ａが歪むこととなる。その結果、内蔵されている歪みゲージ３１ｂが歪み、その抵抗値が変化する。

歪みゲージ３１ｂの抵抗値変化は、例えば図８に示すブリッジ回路４１を用いて検出することができる。すなわち、歪みゲージ３１ｂの抵抗値が変化すると、ブリッジ回路４１から取り出される出力電流が変化する。

図９にブロック図で示すように、ロードセル３１から上記のようにして出力された出力電流が、オペアンプ４２で増幅され、オシロスコープ４３に入力される。他方、ＡＥセンサー１２により音が検知され、ＡＥセンサー１２は検知した音に応じた出力電流を出力する。この出力電流が、オペアンプ４４で増幅され、オシロスコープ４３に入力される。オシロスコープ４３により、ロードセル３１から入力された上記出力電流と、ＡＥセンサー１２から入力された上記出力電流とをモニターする。図１０は、ロードセル３１から入力された電流と、ＡＥセンサー１２から入力された電流とをモニターした結果を示すグラフである。ＡＥセンサー１２から入力された電流値が変化した時点を捉え、そのときのロードセル３１から入力された電流値を加重に変換する。この変換された値を例えば加重Ｆとする。

なお、ロードセル３１としては、例えば、ミネベア株式会社製Ｕ３Ｂ１シリーズを用いることができる。また、オペアンプ４２，４４としては、例えば、新光電子株式会社製、ＤＡＳ−４０６を用いることができる。また、オシロスコープ４３としては、例えば、Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ社製、ＭＳＯ４１０４を用いることができる。また、ＡＥセンサー１２としては、例えば、株式会社エヌエフ回路設計ブロック社製、ＡＥ−ＴＥＳＴＥＲ９５０１を用いることができる。

本実施形態の破壊強度測定装置１を用いれば、上記のように、測定対象物１３の破壊時点をＡＥセンサー１２の出力から瞬時に検出することができる。すなわち、測定対象物１３自体の変化により、測定対象物１３の破壊時点を高精度に検出することができるので、従来の抗折強度測定に比べ、測定対象物の破壊強度を高精度に検出することが可能となる。

加えて、上記実施形態では、バネ２１，２２がプレート１７，１９間に配置されており、押圧子１４から測定対象物１３に加わる荷重の印加速度の立ち上がりが穏やかとなる。従って、押圧子１４により荷重を測定対象物１３に加えはじめた瞬間に誤って測定対象物１３が破壊し難い。よって、より一層高精度に測定対象物１３の破壊強度を測定することができる。

さらに、上記緩衝材１１が支持部４と台座６ｂとの間に配置されているため、周囲からの振動等の影響を受けることなく、測定対象物１３の破壊時点を高精度に検出することができる。

なお、上記実施形態は、押圧子１４の押圧ピン１６の先端は円錐部１６ａとされていたが、図５（ａ）及び（ｂ）に示す変形例のように、押圧ピン１５の先端に、円錐第１５ｂを設け、円錐台１５ｂの先端から円錐台１５ｂよりも小径の突出部１５ｃを設けた形状としてもよい。

いずれにしても、押圧ピン１５においては、測定対象物１３に当接される部分の面積を小さくすることにより、測定対象物１３の小型化に対応することができる。

本願発明者は、長さ１．０ｍｍ×幅０．５ｍｍ×厚み０．２ｍｍの積層セラミックコンデンサの破壊強度を測定した。比較のために、上記ＡＥセンサー１２、緩衝材１１及びバネ２１，２２を設けなかったことを除いては、上記と同様にして構成された従来例に相当する比較例の破壊強度測定装置を用意した。実施形態及び比較例の破壊強度測定装置を用い、破壊強度に至る荷重値及びそのばらつきを測定した。

その結果、ある試料群では、比較例では、平均荷重が２．０８Ｎであり、荷重値のばらつきσは１．１８であるのに対し、上記実施形態では、平均荷重値が６．６１Ｎであり、荷重値のばらつきσは０．８６であった。また、他の試料群では、比較例では、平均荷重が２．２９Ｎであり、荷重値のばらつきσは０．９５であったのに対し、上記実施形態によれば、平均荷重が７．１５Ｎであり、荷重値のばらつきσは０．６２であった。

従って、本実施形態によれば、非常に小型の積層セラミック電子部品の破壊強度を高精度に測定し得ることがわかる。

なお、本発明は、積層セラミック電子部品の破壊強度を測定する用途に限らず、様々な割れやすい測定対象物の破壊強度の測定に広く用いることができる。

１…破壊強度測定装置
２…ステージ
３…ベース部材
４…支持部
４ａ…凹部
５…プレート
６…筒状部材
６ａ…フランジ部
６ｂ…台座
６ｃ…貫通孔
７…ボルト
１１…緩衝材
１２…ＡＥセンサー
１３…測定対象物
１４…押圧子
１５…押圧ピン
１６…押圧ピン
１６ａ…円錐部
１７…第１のプレート
１８…固定ねじ
１９…第２のプレート
１９ａ，１９ｂ…貫通孔
２０…シャフト
２１，２２…バネ
２３…筒状スペーサー
２４…ボルト
２５…ナット
３１…ロードセル
３１ａ…ロードセル本体
３１ｂ…歪みゲージ
３２…荷重検出部
３３…昇降装置
３４…積層セラミック電子部品
３５…セラミック素体
３６，３７…外部電極
４１…ブリッジ回路
４２…オペアンプ
４３…オシロスコープ
４４…オペアンプ

Claims (6)

1. 測定対象物に対して荷重を印加するための荷重印加装置と、
   前記測定対象物を載置するためのステージと、
   前記荷重印加装置から印加された荷重により、前記測定対象物を押圧する押圧子と、
   前記測定対象物に荷重を印加することにより、測定対象物が破壊したときの該測定対象物の変化を検知するセンサーと、
   前記センサーが前記測定対象物が破壊したときの前記変化を検知したときの荷重印加装置が押圧子を印加していた荷重を測定する荷重測定装置とを備え、
   前記センサーが、前記測定対象物自体の変化を検知するセンサーであり、
   かつ前記荷重印加装置と前記押圧子との間に挿入された弾性体をさらに備える破壊強度測定装置であって、
   前記ステージが、ベース部材と、前記ベース部材上に配置されており、かつ、上面に前記測定対象物が載置される支持部とを有し、前記支持部の下面に貫通孔が形成されており、前記貫通孔内に前記センサーが位置していることを特徴とする、破壊強度測定装置。
2. 前記センサーがＡＥセンサーである、請求項１に記載の破壊強度測定装置。
3. 前記貫通孔の周囲において、前記支持部が前記ベース部材により支持されており、前記センサーの検出部が前記貫通孔内において前記支持部の下面に接続されている、請求項１または２に記載の破壊強度測定装置。
4. 前記ベース部材と前記支持部材との間に配置された緩衝材をさらに備える、請求項３に記載の破壊強度測定装置。
5. 前記ステージの前記ベース部材内に前記センサーが収納されている、請求項３または４に記載の破壊強度測定装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の破壊強度測定装置を用いた測定対象物の破壊強度を測定する方法であって、
   前記ステージに前記測定対象物を載置する工程と、
   前記荷重印加装置から荷重を印加し、前記押圧子により、測定対象物を押圧する工程と、
   前記測定対象物の変化を検知するセンサーにより、前記測定対象物が荷重の印加により破壊したときの変化を検知し、該測定対象物が破壊したときの変化を検知したときの前記荷重印加装置により押圧子を印加していた荷重を測定する工程とを備える、破壊強度測定方法。

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