JP5871885B2 - 接触式試験装置及び環境試験方法 - Google Patents
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Description
温度特性評価試験は、例えば、評価対象たるプリント基板(被試験物)をホットプレート上に載置し、被試験物を所定の温度に加熱した状態で通電することによって、被試験物の温度特性を評価するものである。
そこで、温度特性評価試験に使用されるホットプレートでは、全ての被試験物が同一の温度条件下となるように、被試験物の載置面の温度分布を均一とする工夫がなされていた。
このように、特許文献1に記載のホットプレートでは、載置面の温度分布が均一であっても、それぞれの被試験物の構成部材が均一な温度条件下に置かれず、温度特性を正確に評価できないおそれがあった。
そのため、各被試験物間での試験環境がばらついて、同一条件・同一環境とならず、個々の被試験物の温度特性を正確に評価できない問題があった。
前者の「自己発熱しない場合」については、従来の構造と同様に、被試験物を接触させる昇温プレートの面内の温度分布を均等にすることによって達成できる。しかしながら、上記したように後者の「自己発熱する場合」の場合には、昇温プレートの面内の温度分布が均等であっても被試験物の温度分布にバラツキが生じる。
そこで、本発明者は、昇温プレートの面内の温度分布を均等にしつつ、後者の「自己発熱する場合」の場合において、被試験物の発熱に対応した発熱体の発熱状態を調整できる機構の開発を行った。
ここでいう「温度/抵抗特性が急峻」とは、温度係数が1000ppm/℃以上のものを表す。
ここでいう「条」とは、細長いものの数量を表し、形状は問わない。すなわち、直線状でも良いし曲線状でもよい。
また、本様相によれば、発熱体の一部又は全部は、温度/抵抗特性が急峻であって温度が上昇すると抵抗値も上昇するものである。すなわち、発熱体は、温度が上昇するとその抵抗値が急上昇し、温度が低下すると抵抗値が急降下するものである。
つまり、並列接続された各発熱体は、同電位となっているので、発熱体の一部又は全部は、温度が上昇すると、即座に抵抗値が上昇し、発熱量が減少する。また、発熱体の一部又は全部は、温度が低下すると、即座に抵抗値が下降し、発熱量が増大する。
このように本様相の接触式試験装置は、発熱体自身に温度変化に伴って発熱量を調整する自動調整機能を有している。
そのため、例えば、自己発熱する被試験物を試験した場合には、被試験物の温度変化に合わせて、発熱体がすぐに発熱量を調整するので、被試験物全体での温度分布が生じにくい。
また、自己発熱しない被試験物を試験した場合には、被試験物が発熱しないため、被試験物の温度がそのまま発熱体の発熱量に反映される。
通常、熱源から発生した熱は、熱源を中心として同心円状に拡散するので、発熱体で発生する熱は、天地方向(上下方向)において発熱源たる発熱体を中心に同心円状に広がると推察できる。
仮に昇温プレートと加熱部材が直接接触した状態で発熱体が発熱した場合には、発熱体から直接昇温プレートに熱が伝わるので、発熱体の真上の部位と、隣接する発熱体間の隙間の部位とで、昇温プレートに伝わる熱量が異なる。すなわち、昇温プレートの面内において、発熱体の熱が良く伝わる密の部分と、発熱体の熱が伝わりにくい疎の部分が生じる。そのため、図17(a)のように、昇温プレートの面内で温度分布にバラツキが生じ、被試験物内においても温度分布にバラツキが生じるおそれがある。
そこで、本様相によれば、昇温プレートと加熱部材との間に一定の間隙が設けられている。すなわち、本様相によれば、発熱体から昇温プレートまでの間に距離があり、熱が拡散して均された状態で昇温プレートに伝わる。そのため、図17(b)のように、昇温プレートの面内の温度分布が均等となり、被試験物内においても温度分布が均一となる。
以上のように本様相の接触式試験装置であれば、被試験物が自己発熱しない場合及び自己発熱する場合のいずれの場合においても、所望の温度環境を精密に形成することができ、正確な温度特性を測定することができる。
昇温プレートと加熱部材との間の間隙が4.5mm超過の場合、昇温プレートと加熱部材の距離が離れすぎて、自己発熱する被試験物を使用した場合に被試験物から生じる熱が拡散しすぎて、被試験物の発熱部位の熱が正確に発熱体に反映されないおそれがある。
昇温プレートの面内の温度分布を均一にする観点から、間隙は1mm以上であることがより好ましい。被試験物の発熱部位をより鮮明に発熱体に反映させる観点から、間隙は3mm以下であることがより好ましい。
なお、上記した定義によると、防熱板は、照射された遠赤外線の80パーセント以上を反射するものであるが、よりエネルギー損失を抑制できる観点から、防熱板は、照射された遠赤外線の90パーセント以上を反射するものであることが好ましく、95パーセント以上を反射するものであることがより好ましい。
本発明の環境試験方法によれば、試験時に被試験物の一部が局所的に発熱する被試験物であっても、正確に温度特性を測定できる。
なお、以下の説明において、特に断りがない限り、上下の位置関係は、通常の設置位置(図1)を基準に説明する。また、特に断りの無い限り、物性は、標準状態を基準とする。
また、接触式試験装置1は、具体的にはホットプレートであり、被試験物2を常温よりも高い温度条件下に晒すものである。すなわち、接触式試験装置1は、1又は複数の被試験物2を昇温プレート3に接触させ、昇温プレート3を昇温して使用されるものである。
そのため、以下の説明においては、通電することによって自己発熱する被試験物2を使用した場合について説明し、自己発熱しない被試験物を使用する場合については説明を省略する。
接触式試験装置1は、図2,図3に示されるように、昇温プレート3と、加熱部材5と、防熱板6を有している。
載置部7は、複数の被試験物2を載置する部位であり、本実施形態では、最大4つまでの被試験物2を載置可能となっている。
載置部7の少なくとも下面(加熱部材5と対向する面)は、遠赤外線を吸収しやすい材料で形成されている。
具体的には、載置部7の少なくとも下面は、波長が5μmにおける吸収率が0.3以上1未満である材料によって形成されている。載置部7の少なくとも下面は、波長が5μmにおける吸収率が0.5以上1未満である材料によって形成されていることが好ましい。波長が5μmにおける吸収率が0.8以上1未満である材料によって形成されていることがより好ましい。
本実施形態では、載置部7の全てが同一の材料、すなわち、遠赤外線を吸収しやすい材料で形成されている。
発熱体22は、面状に分布しており、各発熱体22は、所定の間隔を空けてそれぞれ略平行になるように並列されている。
また、各発熱体22の端部は、それぞれ給電部26,27に接続されており、給電部26,27に対して電気的に並列接続されている。
すなわち、加熱部材5の各発熱体22及び給電部26,27は、基板20上を櫛状に分布している。
具体的には、発熱体22は、温度係数が1000ppm/℃以上2000ppm/℃以下の性質を有する。
発熱体22は、温度を反映しやすい観点から温度係数が1000ppm/℃以上の性質を有することが好ましく、1500ppm/℃以上の性質を有することがより好ましい。
また発熱体22は、抵抗の変化量を適量に制御する観点から2000ppm/℃以下の性質を有していることが好ましく、1750ppm/℃以下の性質を有していることがより好ましい。
本実施形態の発熱体22は、1000ppm/℃の銀−パラジウム合金(Ag−Pd)によって形成されている。
発熱体22の形成方法は、特に限定されないが、例えば、スクリーン印刷法によって形成することができる。
間隔S1が1mmよりも狭くなると、隣接する発熱体22の熱の影響を受けて温度分布自動調整機能を十分に発揮できなくなるおそれがある。間隔S1が10mmよりも広がると、昇温プレート3を均等に加熱できないおそれがある。
給電部26,27は、導電体で形成されている。なお、給電部26,27は、発熱体22と同じ材料によって形成されていてもよい。
すなわち、基板20の一方の主面(上面)は、第一被覆部材25によって覆われている。また基板20の他方の主面(下面)は、絶縁層21によって覆われており、その外側に発熱体22が形成されている。また、絶縁層21及び発熱体22の外側を第二被覆部材23が覆っている。
基板20の大きさは、昇温プレート3とほぼ同じ程度の大きさである。
絶縁層21は、耐熱性及び絶縁性を有するものであれば、特に限定されないが、例えば、結晶化ガラスなどが使用できる。
絶縁層21は、基板20の一方の主面上の全面に形成されている。
具体的には、第一被覆部材25は、波長が5μmにおける放射率が0.4以上1未満である材料によって少なくとも上面が形成されている。
第一被覆部材25は、熱エネルギーを遠赤外線に効率良く変換する観点から、波長が5μmにおける放射率が0.6以上1未満である材料によって上面が形成されていることが好ましい。
本実施形態では、第一被覆部材25の全てが遠赤外線を照射しやすい材料によって形成されており、具体的には、結晶化ガラスによって形成されている。
本実施形態では、第二被覆部材23は、第一被覆部材25と同一材料によって形成されている。すなわち、第二被覆部材23も結晶化ガラスによって形成されている。
また、本実施形態では、第二被覆部材23は、第一被覆部材25と同一材料によって形成されているので、遠赤外線を照射しやすい。
具体的には、防熱板6は、厚みが1mm程度のステンレススチール製の薄板で形成されていることが好ましい。
昇温プレート3と加熱部材5の間の間隙D1(高さ(上下方向の長さ))は、0.5mm以上4.5mm以下であることが好ましい。
この範囲であれば、被試験物2の供試体発熱部31の熱を発熱体22に伝熱させるとともに、昇温プレート3を均等に加熱することができる。
昇温プレート3の面内の温度分布をより均一にする観点から、D1は1mm以上であることがより好ましい。被試験物2の発熱部位をより鮮明に発熱体22に反映させる観点から、D1は3mm以下であることがより好ましい。
加熱部材5と防熱板6との間隔D2は、5mm〜15mmであることが好ましい。本実施形態では、間隔D2は10mm程度である。
このとき、被試験物2は、昇温プレート3を平面視したときに、図5のように給電部26,27に並列接続された複数の発熱体22からなる群と重なるように設置されている。すなわち、被試験物2は、並列接続された複数の発熱体22に跨がるように配されている。
また、それぞれの被試験物2は、異なる発熱体22と重なるように設置されている。
このとき、発熱体22に給電部26,27から給電されると、発熱体22内の抵抗によって、発熱体22が発熱する。発熱体22が発熱すると、発熱体22の上方(昇温プレート3側)では、発熱体22の熱が基板20、絶縁層21を介して第一被覆部材25に伝熱し、第一被覆部材25の温度が上がる。第一被覆部材25の温度が上がると、第一被覆部材25の表面(上面)から昇温プレート3に向けて遠赤外線が輻射される。第一被覆部材25の表面(上面)から輻射された遠赤外線は、昇温プレート3の表面(下面)で吸収され、昇温プレート3の温度が上昇する。昇温プレート3の温度が上昇すると被試験物2の温度が上昇し、被試験物2が所望の環境下に置かれる。
一方、発熱体22の下方(防熱板6側)では、発熱体22の熱が第二被覆部材23に伝熱し、第二被覆部材23の温度が上がる。第二被覆部材23の温度が上がると、第二被覆部材23の表面(下面)から防熱板6に向けて遠赤外線が輻射される。第二被覆部材23の表面(下面)から輻射された遠赤外線は、防熱板6の表面(上面)で反射され、第二被覆部材23の表面(下面)で吸収される。遠赤外線が第二被覆部材23の表面(下面)で吸収されると、第二被覆部材23の温度が上昇し、基板20、絶縁層21を介して第一被覆部材25に伝熱される。
このように、発熱体22で発生した熱は、そのほとんどが昇温プレート3に伝わるため、熱エネルギーの損失が少ない。
このように、従来のホットプレートの場合には、図9の太線Cのように、被試験物2の面内において温度にバラツキが生じ、正確な温度特性を測定することができなかった。
また、昇温プレート3上に被試験物2を密集させて設置した場合には、上記したように供試体発熱部31の自己発熱を受けて昇温プレート3の温度分布が乱れるので、他の被試験物2の測定にも影響を与えるおそれがあった。
その後、図6(b)のように、発熱体22がこの温度上昇を受けて、発熱当初に比べて発熱体22内の抵抗が増大し、部分的に発熱体22の発熱量が減少する(図6(b)の実線A)。発熱体22の発熱量が減少していくと(図6(b)の実線A)、発熱体22の発熱量に追随して昇温プレート3のピークトップは低下していき(図6(b)の破線B)、被試験物2の供試体発熱部31のピークトップも低下していく(図6(b)の太線C)。また、被試験物2の供試体発熱部31の熱が周りの温度の低い部位に流れて均熱化されていく。
そして、発熱体22の発熱量がある一定値を超えてさらに減少していくと(図6(c)の実線A)、昇温プレート3の温度の分布の正負が逆転して、被試験物2の供試体発熱部31との対応部位を、ピークボトムとした分布を取る(図6(c)の破線B)。発熱体22の発熱量がさらに減少していくと(図7(d)の実線A)、被試験物2では、供試体発熱部31に対応する位置をピークボトムとした温度分布が形成される(図7(d)の太線C)。すなわち、被試験物2の供試体発熱部31の部位が周囲の温度に比べて低い温度となる。
発熱体22は、被試験物2の供試体発熱部31の対応部位の温度の低下(図7(d)の太線C)を受けて、発熱体22内の抵抗が減少し、部分的に発熱体22の発熱量が増加していく(図7(e)の実線A)。発熱体22の発熱量が増加していくと(図7(f)の実線A)、昇温プレート3の温度分布のピークは上昇していき(図7(f)の破線B)、被試験物2の温度分布のピークも上昇する(図7(f)の太線C)。
そして、発熱体22の発熱量がある一定値を超えてさらに増加していくと(図8(g)の実線A)、昇温プレート3の温度の分布の正負が逆転して、被試験物2の供試体発熱部31との対応部位を、ピークトップとした分布を取る(図8(g)の破線B)。
発熱体22の発熱量がさらに増加していくと(図8(h)の実線A)、被試験物2では、供試体発熱部31に対応する位置をピークトップとした温度分布が形成される(図8(h)の太線C)。すなわち、被試験物2の供試体発熱部31の部位が周囲の温度に比べて高い温度となる。
このように、発熱体22の発熱量の増減が繰り返されて、図8(i)のように、被試験物2の全体の温度が所定の値に収束し、均等となる。
そこで、本実施形態の接触式試験装置1によれば、第二被覆部材23と対面するように、遠赤外線を反射しやすい防熱板6が設置されているので、第二被覆部材23から照射された遠赤外線は、防熱板6で反射されて、第二被覆部材23に戻る。そのため、第二被覆部材23からの遠赤外線の照射による余分な加熱が生じず、熱エネルギーの損失を抑制することができる。
要するに、図10のように、被試験物2が載置される部位に対応する発熱体22のそれぞれを給電部26,27に対して並列接続すれば、その他の部位では、発熱体91は給電部26,27に対して並列に接続しなくてもよい。
例えば、図11に示されるように、複数条の発熱体22のうち、被試験物2を載置する部位の発熱体22を温度/抵抗特性が急峻であって温度が上昇すると抵抗値も上昇するもので形成し、被試験物2を載置しない部位に対応する発熱体90を他の材料で形成してもよい。
また、図13のように、1つの加熱部材5に対して、複数の昇温プレート3を設置していてもよい。こうすることにより、各被試験物2間での発熱状態のバラツキの影響をより低減することができる。なお、昇温プレート3と加熱部材5を複数ずつ有するものでもよい。
2 被試験物
3 昇温プレート
5 加熱部材
6 防熱板
7 載置部
20 基板
22 発熱体
23 第二被覆部材
25 第一被覆部材
26 給電部
31 供試体発熱部(発熱部)
Claims (7)
- 昇温可能な昇温プレートを有し、当該昇温プレート上に被試験物を接触させて所望の試験を実施する接触式試験装置において、
前記昇温プレートを加熱する加熱部材を有し、前記加熱部材は、複数条の発熱体と、発熱体に給電する給電部を有し、前記発熱体は面状に分布し、前記複数の発熱体の一部又は全部は、並列に接続されており、
前記発熱体の一部又は全部は、温度/抵抗特性が急峻であって温度が上昇すると抵抗値も上昇するものであり、
前記加熱部材は、昇温プレートと対向するように配置され、昇温プレートと加熱部材との間に間隙が設けられていることを特徴とする接触式試験装置。 - 前記加熱部材は、基板を有し、
前記発熱体は前記基板に設けられ、前記基板の昇温プレートと対向する面は、第一被覆部材で覆われており、
発熱体が発熱することによって、第一被覆部材の表面から遠赤外線が輻射されることを特徴とする請求項1に記載の接触式試験装置。 - 前記昇温プレートは、遠赤外線を吸収しやすい材料によって形成されていることを特徴とする請求項1又は2のいずれかに記載の接触式試験装置。
- 昇温プレート上に自己発熱する被試験物を接触させて所望の試験を実施する接触式試験装置であって、
被試験物が発熱することによって、昇温プレートの表面から加熱部材に遠赤外線が輻射されることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の接触式試験装置。 - 前記加熱部材は、基板を有し、
前記発熱体は前記基板に設けられ、前記基板の昇温プレートと対向する面は、第一被覆部材で覆われており、
さらに、前記基板の昇温プレートと反対面は、第二被覆部材で覆われており、
当該第二被覆部材の熱膨張係数は、前記第一被覆部材の熱膨張係数と同一の値又は近い値をとることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の接触式試験装置。 - 加熱部材を挟んで昇温プレートと反対側に防熱板を有し、
前記防熱板は、照射された遠赤外線の大部分を反射するものであって、かつ、加熱部材との間に空間が設けられていることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の接触式試験装置。 - 請求項1〜6のいずれかに記載の接触式試験装置を用いて被試験物の環境試験を行う環境試験方法であって、
前記被試験物は、面状に広がりを有するものであって、その面内に自己発熱する発熱部が存在することを特徴とする環境試験方法。
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