JPH09178639A - 熱疲労試験装置および熱疲労試験方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、加熱手段と冷却手段とを一元化
し、より小型かつ簡素な熱疲労試験装置と、被試験体に
所定の温度分布を与えることができる熱疲労試験方法と
を提供することを解決すべき課題とする。 【解決手段】 本発明は、加熱手段２１等を内蔵し被試
験体４に対して開口する少なくとも一つのガスダクト２
等と、これらに圧縮ガスを供給する手段３０とを有する
熱疲労試験装置とその試験方法である。ガスダクト２等
は複数個あり、被試験体４の複数箇所に複数方向から開
口している。各所に設けられた熱電対の計測温度に基づ
き、各加熱手段２１等のフィードバック制御により迅速
かつ正確な熱疲労試験ができる。これは、被試験体を構
成する部材間の熱膨張差により被試験体４の所定部に熱
歪みが生じるからである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、材料等の熱疲労試
験を行う装置およびその方法に関し、熱疲労試験の技術
分野に属する。

【０００２】

【従来の技術】熱疲労試験技術については、特開平７−
０２００３１号公報に開示されている技術がある。これ
は、試験片と熱膨張係数が異なるホルダーとで試験片を
挟持し試験片およびホルダーの全体を加熱・冷却するこ
とにより、両者の膨張差を利用して試験片に所望の歪み
をかけながら熱疲労試験を行う技術である。

【０００３】上記従来技術では、アクチュエータを要さ
ずに力学的な歪みを試験片にかけることができるので設
備費等の点で優れている技術ではあるが、加熱手段と冷
却手段とを別個に備えているので小型化や簡素化の点で
改良の余地を残していた。また、試験片およびホルダー
の全体を加熱・冷却するので、各部の熱容量に応じて温
度不均一が生じたり、また、試験片に所望の温度分布を
意図的に与えることが難しかった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】そこで本発明は、加熱
手段と冷却手段とを一元化し、より小型かつ簡素な熱疲
労試験装置と、被試験体の温度分布を均一にしたり、ま
た、意図的に所定の温度分布を与えることもできる熱疲
労試験方法とを提供することを解決すべき課題とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段およびその作用・効果】上
記課題を解決するための手段として、発明者らは、以下
に列挙する構成の発明を行った。本発明の第１構成は、
加熱手段を内蔵し被試験体に対して開口する少なくとも
一つのガスダクトと、該加熱手段の出力を制御する出力
制御ユニットと、該ガスダクトに圧縮ガスを供給する圧
縮ガス供給手段と、該ガスダクトに供給される圧縮ガス
の流路を開閉するバルブと、を有することを特徴とする
熱疲労試験装置である。

【０００６】本構成では、圧縮ガス供給手段から圧縮ガ
スを供給されるガスダクトが加熱手段を内蔵しているの
で、加熱手段の出力によってガスダクトから熱風および
冷風のいずれをも選択的に切り替えることができる。し
たがって、本構成によれば、加熱手段と冷却手段とがガ
スダクトに一元化されているので、より小型かつ簡素な
熱疲労試験装置を提供することができるという効果があ
る。

【０００７】上記圧縮ガスのガスとしては、空気、窒素
ガス、不活性ガスなどが挙げられる。空気は、低コスト
で清浄な加熱・冷却媒体として最適である。被試験体が
酸化しやすい場合には、窒素ガスや不活性ガスの使用が
望ましい。上記加熱手段としては、気体を加熱できるも
のであればよい。また、加熱手段としては、電気ヒータ
ーなどの電気的に出力が制御できる電気的加熱手段が望
ましい。電気的加熱手段を用いると、気体の温度を簡単
にかつ精度良く制御できる効果がある。

【０００８】上記ガスダクトは複数個あり、前記被試験
体の複数箇所に対して複数方向から開口することが望ま
しい。これにより、被試験体の所望の位置に所望の温度
の熱風を吹きかけることが可能になる。したがって、被
試験体に所望の温度分布を与えることができるという効
果がある。上記被試験体とは、種々の材質からなる試験
片、半導体チップなどの電子素子、複数の電子素子を配
した電子部品、複雑な形状をした大型部品など、温度サ
イクルが与えられることによって破損や劣化が生じる危
険性のあるものなら何でもよい。本構成により、これら
の被試験体の一部または全体に任意の温度サイクルを与
えることができる。被試験体が単一材料からなる場合に
は、温度分布を与えることにより熱ひずみを発生させる
ことができる。また、被試験体が熱膨張係数の異なる部
材から構成されている場合には、均一な温度に加熱ある
いは冷却するだけでも、熱膨張差により熱ひずみが発生
する。したがって、加熱・冷却を繰り返すことにより、
被試験体には熱ひずみが繰り返し発生するため、本装置
を用いて、被試験体の耐熱疲労性を評価できる効果があ
る。

【０００９】本発明の第２構成は、上記第１構成におい
て、前記被試験体と前記ガスダクト出口付近とのうち少
なくとも一方に取り付けられている温度センサと、該温
度センサからの信号に基づいて当該箇所の温度を計測し
測定温度信号を発生する温度計測手段と、該測定温度信
号に基づいて前記加熱手段の出力と前記圧縮ガスの流量
とのうち少なくとも一方を適正な水準に制御する制御信
号を発生する制御手段と、該制御信号に従い該加熱手段
の出力を調節する出力制御ユニットと該制御信号に従い
前記バルブを駆動して圧縮ガスの流量を調整するバルブ
駆動手段とのうち少なくとも一方とをさらに有すること
を特徴とする。

【００１０】本構成では、温度センサおよび温度計測手
段により所望の箇所の温度が測定され、測定温度信号に
基づいて制御手段が作用し、出力制御ユニットおよび／
またはバルブ駆動手段によってガスダクト各個で個別に
熱風の温度が制御される。したがって、本構成によれば
さらに、センサ／制御系によるフィードバック制御が可
能になるので、より迅速かつより精密に温度制御を行う
ことができるという効果がある。

【００１１】本発明の第３構成は、上記第１構成におい
て、前記被試験体は試験片とホルダとからなり、該ホル
ダは試験片とは膨張率の異なる材質からできており、該
試験片が該ホルダに取り付けられており、該試験片の熱
膨張が該ホルダにより拘束されることを特徴とする。本
構成では、ホルダと試験片との間に熱膨張係数の差があ
るので、ホルダおよび試験片を加熱・冷却することによ
り、ホルダから歪みを試験片に与えることができる。し
たがって、本構成によればさらに、熱疲労試験に際して
試験片に歪みをかけるアクチュエータを必要とせず、よ
りいっそう安価にして簡素かつ故障しにくいという効果
がある。

【００１２】前記試験片および前記ホルダのうち少なく
とも一方には、歪みゲージが少なくとも一つ装着されて
いることが望ましい。この構成により、歪みゲージの出
力変化から試験片の破損寿命を求めることができるとい
う効果がある。本発明の第４構成は、被試験体の一箇所
以上に対して、一箇所以上の吹き出し口から冷風と熱風
とのガス流を交互に吹き付け、該被試験体に温度サイク
ルを与える熱疲労試験方法であり、該吹き出し口からの
該ガス流の温度を個別に制御することを特徴とする熱疲
労試験方法である。

【００１３】本構成では、被試験体の一箇所以上に対し
て、一箇所以上の吹き出し口から個別に制御された温度
の熱風あるいは冷風のガス流が吹き出すので、被試験体
の所望の箇所に所望の温度のガス流を当てることができ
る。したがって、本構成によれば、被試験体に所定の温
度分布を与えることができるという効果がある。勿論、
均一な温度分布を与えることもできる。また、この所定
の温度分布を与えることにより、被試験体の所望の箇所
に発生する熱ひずみを制御することもできるという効果
がある。

【００１４】上記圧縮ガスのガスとしては、空気、窒素
ガス、不活性ガスなどが挙げられる。空気は、低コスト
で清浄な加熱・冷却媒体として最適である。被試験体が
酸化しやすい場合には、窒素ガスや不活性ガスの使用が
望ましい。本発明の第５構成は、上記第４構成におい
て、前記被試験体の所定部分の温度と前記吹き出し口付
近の前記ガス流の温度とのうち少なくとも一つが計測さ
れ、該計測の結果に基づいて前記熱風の温度制御が行わ
れることを特徴とする。

【００１５】本構成では、計測および制御が行われるの
で計測制御系が構成され、フィードバック制御をはじめ
とする各種制御方法を適用することが可能になる。した
がって、本構成によればさらに、より迅速かつより精密
な温度制御および歪み制御が可能になるという効果があ
る。本発明の第６構成は、上記第５構成において、前記
熱風は加熱手段により加熱されて昇温または一定温度に
保持される前記ガス流であり、前記冷風は放冷と加熱手
段による補助的な加熱とにより降温または一定温度に保
持されるガス流であり、前記加熱手段は電気的に出力が
制御できる電気的加熱手段であり、前記温度制御は該電
気的加熱手段の出力を制御する次の数式に従って行われ
るＰＩＤ制御であることを特徴とする。

【００１６】Ｖout ＝ ｛Ｋ・Ｔh （ｔ）｝β Ｔh （ｔ） ＝ １００／ＰＢ・｛ｅ（ｔ）＋１／ＴI
・Ｓｅｄｔ＋ＴD ・ｄｅ（ｔ）／ｄｔ｝ ただし、 Ｖout ：ヒーター制御信号（電圧または電流） Ｔh （ｔ）：ヒーター制御量（温度） ｔ：時間 β：定数 ＰＢ：比例帯（％） ＴI ：積分時間 ＴD ：微分時間 Ｓ：積分記号（インテグラル） ｅ（ｔ）：ガス流の温度の制御偏差、ｅ（ｔ）＝ＳＶ−
ＰＴ（ｔ） ＳＶ：ガス流の温度の目標値 ＰＶ（ｔ）：ガス流の温度の実測値 本構成では、ガス流の加熱に電気ヒーター等の電気的加
熱手段が使用されるので、ガス流の温度制御を電気的に
迅速かつ容易に行うことが可能である。また、加熱手段
であるヒーターの制御信号−温度特性を考慮した上記数
式に従うＰＩＤ制御によりヒーター出力が制御されるの
で、簡素な制御ロジックで迅速かつ精密に温度制御が実
現される。したがって、本構成によればさらに、迅速か
つ精密な温度制御および歪み制御が容易に実現されると
いう効果がある。

【００１７】また、熱疲労試験の際、加熱開始時および
冷却開始時にはＶoutを一定の適正値に強制的に所定時
間保持することが望ましい。こうすることにより、加熱
開始時および冷却開始時の温度制御の遅れを短縮し、よ
り迅速に熱疲労試験を行うことができるという効果があ
る。本発明の第７構成は、上記第６構成において、前記
ガス流は次の数式に従って交互に吹き付ける前記冷風と
前記熱風とであることを特徴とする。

【００１８】ＳＶ（１） ＝ ＳＶ0 ＳＶ（ｉ） ＝ ＳＶ（ｉ−１）＋Ｅtp（ｉ−１） ただし、 ＳＶ（ｉ）：ｉサイクル目のガス流の温度の目標値 ＳＶ0：初期の同目標値 Ｅtp（ｉ−１）：（ｉ−１）サイクル目の被試験体の温
度偏差、 Ｅtp（ｉ−１）＝ＳＶtp−ＰＶtp（ｉ−１） ＳＶtp：被試験体温度の目標値 ＰＶtp（ｉ−１）：被試験体温度の実測値 本構成では、被試験体の実測温度と目標温度との差に基
づいて、各サイクル毎にガス流の目標温度を補正してい
るため、経時的な温度のばらつきを補正し、被試験体の
温度制御を精度良く行えるという効果がある。

【００１９】

【発明の実施の形態】

〔実施例１〕 １．熱疲労試験装置 本発明の一実施例としての熱疲労試験装置は、図１に示
すように、試験ユニット４およびエアダクト１，２を固
定支持する基台ユニット９００と、エアダクト１，２に
圧縮空気を供給する圧縮空気供給手段３００と、計測制
御系としての温度制御ユニット５００およびパソコン１
００とから構成されている。 （１）試験ユニット（被試験体） 試験ユニット４は、図２（ａ）および図２（ｂ）に示す
ように、試験片４０と、試験片４０を図２（ｂ）中の前
後両面から挟持している二つのホルダー４１，４２と、
試験片４０およびホルダー４１，４２を上下両端で互い
に固定する４本（または２本）のボルト・ナット４３と
からなる。

【００２０】このうち試験片４０は、通常の引張試験片
と同様に断面積一定で円形断面の中間部を有し、上下両
端には、やや太めでホルダー４１，４２の内側面に当接
する平行面が前後両面に形成されている肉厚部を有して
いる。中間部と両端の肉厚部との間には、応力集中が生
じないよう、緩やかに連続する外周面が形成されてい
る。

【００２１】一方、ホルダー４１，４２は材質および寸
法形状が同一のものであり、温度変化による線膨張係数
が試験片４０と異なる材質のブロックから形成されてい
る。ホルダー４１，４２は略直方体の形状をしており、
各４本のボルト穴以外に窓等はない。ホルダー４１，４
２の前方および後方の側面の中央部分には、それぞれ歪
みゲージ８が張りつけられている。歪みゲージ８は全部
で４枚あるが、必要に応じて試験片４０にも装着するこ
とができる。

【００２２】ホルダー４１，４２の上下両端付近の内側
面には、軸長方向と垂直な突条と溝とが交互に形成され
ている。同内側面に当接する試験片４０の上下両端付近
の前後両側の平行面に、上記突条および上記溝からなる
ホルダー内側面を圧入することにより、試験片４０とホ
ルダー４１，４２とは、上記突条と上記溝とが互いに嵌
合して、上下両端部で互いに軸長方向に固定される。ホ
ルダー４１，４２は、上下両端付近を貫通するボルト・
ナット４３によって締めつけられて、前後両側から強固
に試験片４０の両端部を挟持している。ボルト・ナット
４３は、緩みが生じないように、それぞれ皿バネをホル
ダー４１，４２の外側面との間に挟持している。

【００２３】なお、試験片４０、ホルダー４１，４２お
よびボルト・ナット４３からなる試験ユニット４につい
ては、特開平７−２００３１号公報に類似のものが詳細
に開示されているので、より詳細に知りたい場合には同
公報を参照されたい。 （２）基台ユニット 基台ユニット９００は、同じく図１に示すように、フレ
ーム９０によって床から支持されている上面が水平な基
台（実験テーブル）９を有し、基台９上面の中央部に試
験ユニット４を支持台９１を介して固定支持している。
支持台９１は、万力状の保持具に試験ユニット４を固定
しており、試験ユニット４は両側面で、保持具のセラミ
ック板の爪９２（図４参照）により挟持されている。試
験ユニット４に接触している爪の熱伝導率が低いので、
試験ユニット４と支持台９１との間での熱伝導による温
度の擾乱は最小限に抑えられている。基台９上には、支
柱９４およびクランプ９３を介してエアダクト１，２
（１は図略）が軸方向水平に固定支持されており、それ
ぞれ試験ユニット４に向かって開口している。

【００２４】すなわち、図３に示すように、基台９の中
央に直立している試験ユニット４に対し、エアダクト１
は左右方向から圧縮空気Ａを吹きつける位置に配設さ
れ、エアダクト２は前後方向から圧縮空気Ａを吹きつけ
る位置に配設されている。エアダクト１は、図４に示す
ように、上下に２本ずつが重ねて配設されているので、
全部で４本ある。エアダクト１の後端には、圧縮空気源
（図示せず）からのエアホース３がそれぞれ接続されて
おり、エアホース３によりエアダクト１に圧縮空気Ａが
供給される。エアダクト１内部の圧縮空気Ａの流路に
は、電熱線をコイル状に巻いた電気ヒーター（空気ヒー
ター）１１が装備されていて、圧縮空気Ａを加熱するこ
とができる。エアダクト１は、試験片４０に向かって開
口する開口端（ノズル）１０を有し、試験ユニット４の
側方から試験片４０に圧縮空気Ａを直接吹きつけること
ができる。

【００２５】エアダクト２は、図５に示すように、２本
が試験ユニット４を挟んで対向するように配設されてい
る。エアダクト１と同様に、エアダクト２の後端には圧
縮空気源（図示せず）からのエアホース３がそれぞれ接
続されており、エアホース３によりエアダクト２に圧縮
空気Ａが供給される。エアダクト２内部の圧縮空気Ａの
流路には、電熱線をコイル状に巻いた電気ヒーター（空
気ヒーター）２１が装備されていて、圧縮空気Ａを加熱
することができる。エアダクト２は、試験ユニット４に
向かって開口する扇状に上下に拡がっている開口端（ノ
ズル）２０を有し、試験ユニット４の前方および後方か
らそれぞれホルダー４１，４２だけに圧縮空気Ａを直接
吹きつけることができる。 （３）圧縮空気供給手段 圧縮空気供給手段３００は、再び図１に示すように、圧
縮空気Ａを供給する圧縮空気源３０と、各エアダクト
１，２にそれぞれ連結されているエアホース３と、両者
を結ぶ配管の途中に挿置されているバルブ３１、圧力調
整弁３２および圧力計３３とからなる。圧縮空気Ａは、
図６に示すように、圧縮空気源３０から供給されたの
ち、圧力調整弁３２で適正な圧力に調整されたうえで分
岐し、各エアホース３を通じて各エアダクト１，２に分
配される。

【００２６】なお、圧縮空気源３０としては、施設内に
敷設されているコンプレッサーからの配管を使用した。
圧縮空気源３０の供給圧力の多少の脈動は、あまり問題
にならない。 （４）計測制御系 本実施例の熱疲労試験装置には、温度センサーおよび歪
みセンサーと、パソコン１００と、温度制御ユニット５
００および電気ヒーター１１，２１とで、計測制御系１
０００（図１参照）が構成されている。 （５）温度センサー系 温度センサーとしては、試験ユニット４の５か所と各エ
アダクト１，２の開口端１０，２０付近の６か所との合
計１１か所に、ＣＡ（クロメル・アルメル）熱電対が装
着されている。試験ユニット４においては、図７に示す
ように、試験片４０の中央の外周面に１個、試験片４０
の上下両端部から軸心に沿って穿たれた孔内に各１個、
各ホルダー４１，４２の一側面にそれぞれ１個の熱電対
（１）〜（５）が装着されている。一方、各エアダクト
１，２の開口端１０，２０付近にも、図８に示すよう
に、熱電対（６）〜（１１）が内蔵されていて、吹き出
し口である開口端１０，２０内での空気温度が計測され
る。

【００２７】ここで、図８に明示されているように、４
本のエアダクト１の開口端１０は、直接試験片４０に対
して開口し、熱風および冷風を試験片４０の上下両端の
肉厚部に吹きかけるようになっている。すなわち、試験
片４０の中間部の被試験部分に直接吹きかけられないよ
うになっており、同中間部は、主として両肉厚部からの
熱伝導により加熱・冷却される。これは、同中間部の直
径が比較的細く、熱容量が小さいので、もし直接同中間
部に吹きつけると、エアダクト１からの熱風・冷風のわ
ずかな温度変化に対しても鋭敏に反応して不都合だから
である。通常の金属材料では熱伝導率が十分に高いの
で、こうすることによって同中間部（被試験部）の温度
分布はより均一になり、より精度の高い熱疲労試験を行
うことが可能になる。

【００２８】ただし、エアダクト１，２からの吹き出し
流の温度が十分に精密にかつ安定に制御されていること
が確認され、かつ、試験片４０の中間部と肉厚部との熱
容量差が小さい場合には、直接吹きつけるようにエアダ
クト１を配設してもよい。あるいは、エアダクト２の形
状のものをエアダクト１の代わりに配してもよい。一
方、２本のエアダクト２の開口端２０は、ホルダー４
１，４２に対して開口しており、熱風および冷風をホル
ダー４１，４２に直接吹きかけるように配設されてい
る。それゆえ、エアダクト２からの熱風および冷風によ
り、試験片４０が直接に加熱・冷却されることは少な
い。

【００２９】したがって、エアダクト１とエアダクト２
との吹き出し流の温度に差をつけることにより、試験片
４０の温度とホルダー４１，４２の温度とを独立に制御
することが可能である。それゆえ、試験片４０の温度と
試験片４０にかかる引張歪み（または圧縮歪み）とを、
別個に制御することも可能になっている。さて、前述の
位置に装着された１１個の熱電対（１）〜（１１）の各
出力電圧は、図１および図９に示すように、計測線（補
償導線）を介して、パーソナル・コンピュータ１００に
内蔵されている温度測定ボード７０に取り込まれる。温
度測定ボード７０には、上記各出力電圧をデジタル信号
に変換するＡ／Ｄコンバーターと、上記各熱電対の基準
温度を補償する室温補償回路と、熱電対出力の非線形性
を補償する非線形性補償回路とが装備されている。上記
構成の温度測定ボード７０によって正確な温度測定がで
き、各熱電対装着点での測定温度信号Ｓ１がデジタル信
号として出力される。 （６）歪みセンサー系 歪みセンサーとしては、ホルダー４１，４２側面に装着
されている四つの歪みゲージ８（図２Ａおよび図２Ｂ参
照）が使用されている。各歪みゲージ８の出力電圧は、
図１および図９に示すように、計測線（電線）を介し
て、パーソナル・コンピュータ１００に内蔵されている
歪み測定ボード８０に取り込まれる。

【００３０】歪み測定ボード８０には、各歪みゲージ８
を切り替えるリレー回路と、同歪みゲージ用のブリッジ
回路と、同ブリッジ回路用の電源回路と、同ブリッジ回
路出力をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバーターと
が装備されている。ただし、同ブリッジ回路が歪みゲー
ジ８の個数だけ準備できる場合には、上記リレー回路は
不要である。上記構成の歪み測定ボード８０により、デ
ジタル信号として各歪みゲージ８装着点での測定歪み信
号が出力される。

【００３１】なお、本実施例の熱疲労試験では、試験片
４０に生じる歪みは試験片４０の熱膨張特性と応力歪み
特性とに依存する。それゆえ、これらの特性が同一の材
料を試験する場合には、試験片４０の歪みを測定するた
めに全ての試験片４０の中間部（被試験部）には歪みゲ
ージを装着する必要はない。ただし、試験の目的や条件
の必要に応じて、歪みゲージおよび熱電対などのセンサ
ーを必要な数だけ必要な個所に装着してよい。

【００３２】また、上記のように測定された温度や歪み
のデータを用いて、予め測定しておいた歪みゲージ８の
温度による見かけ歪みとゲージ率の温度による変化や、
ホルダー４１，４２の材料の弾性率の温度依存性などの
補正を行えば、試験片４０に生じる応力と歪みとを正確
に算定することができる。この計算は、試験中にオンラ
イン・リアルタイムで行うこともできるが、いったん計
測データを記憶媒体に記録した上で試験後に別のパソコ
ン等で行ってもよい。 （７）データ収集および表示 前述の各測定温度信号Ｓ１および各測定歪み信号とは、
１秒毎にマザーボード６７８に入力されてＲＡＭに記憶
される。同時に、主要な信号はパソコン１００に付随す
るディスプレイ（図示せず）に表示され、試験員はディ
スプレイを通して各個所の温度および歪みやその履歴を
モニターすることができる。 （８）温度制御系 本実施例の熱疲労試験装置では、図９に示すように、前
述の各測定温度信号Ｓ１に基づき、制御手段としてのマ
ザーボード６７８に搭載されたＣＰＵにより処理され
て、適正な４系統のデジタル制御信号Ｓ２が発生する。
各デジタル制御信号Ｓ２は、Ｄ／Ａコンバーターを搭載
した温度制御ボード６０によりアナログ化され、それぞ
れアナログ電圧信号である制御信号Ｓ２’としてパソコ
ン１００から出力される。

【００３３】各制御信号Ｓ２’は、温度制御ユニット５
００に入力され、温度制御ユニット５００に装備されて
いる４個の電圧制御ユニット５をそれぞれ制御する。各
電圧制御ユニット５には、電源５０からの電力により駆
動されるパワートランジスターが内蔵されている。各電
圧制御ユニット５は、各制御信号Ｓ２’に基づいてエア
ダクト１，２に印加する印加電圧Ｖｏｕｔを、エアダク
ト１，２に導通している電線に出力する。

【００３４】全部で２本のエアダクト２は、それぞれ定
格出力１ｋＷの電気ヒーター２１を内蔵しており、それ
ぞれ１個の電圧制御ユニット５から電力を供給されてい
る。一方、全部で４本のエアダクト１は、それぞれ定格
出力０．５ｋＷの電気ヒーター１１を内蔵しており、上
下一組で２本ずつが直列にまとめられ、この２本一組に
対してそれぞれ１個の電圧制御ユニット５が電力を供給
している。（各電気ヒーター１１，２１については、事
前に出力チェックを行い、同等の出力特性のものを組み
合わせて使用している。） したがって、各エアダクト２の電気ヒーター２１と各組
のエアダクト１の電気ヒーター１１とは、各電圧制御ユ
ニット５により互いに独立して制御することができる構
成になっている。それゆえ、エアダクト２が吹きつける
ホルダー４１，４２と、エアダクト１が吹きつける試験
片４０とは、互いに独立に温度制御をすることができ
る。 ２．熱疲労試験方法（熱疲労試験装置の作用） （１）概要 本発明の一実施例としての熱疲労試験方法は、以上のよ
うに構成されている熱疲労試験装置（図１参照）を使用
して次のように実施される。

【００３５】本試験方法の要諦は、試験片４０および熱
膨張係数の異なるホルダー４１，４２の複数カ所に対し
て、四方のエアダクト１，２の複数の吹き出し口１０，
２０から冷風と熱風とを交互に吹き掛け、試験片４０と
ホルダー４１，４２との熱膨張率の差によって生じる歪
みを繰り返し試験片４０にかけることである。ここで、
各吹き出し口１０，２０からの熱風の温度が個別に制御
されることが特徴となっている。

【００３６】すなわち、試験片４０の３か所の温度とホ
ルダー４１，４２の２か所の温度と、さらに各吹き出し
口１０，２０付近の吹き出し流温度とが計測され、その
計測結果に基づいてエアダクト１，２の温度制御が行わ
れる。上記熱風は、電気ヒーター１１，２１により加熱
されて昇温する空気流である。各エアダクト１，２へは
同一の圧縮空気源３０からの分岐で圧縮空気Ａが供給さ
れているので、各エアダクト１の流速・流量は等しく、
同様に各エアダクト２の流速・流量も等しい。したがっ
て、圧縮空気Ａの流量を一定にしておいて、電気ヒータ
ー１１，２１の出力を制御（すなわち印加電圧を制御）
するだけで、加熱と冷却の両方を迅速に行うことが可能
である。 （２）ＰＩＤ制御 電気ヒーター１１，２１の出力制御は、マザーボード６
７８のＣＰＵに内蔵のプログラムで記述されている以下
の制御方法にしたがって行われる。

【００３７】すなわち、電気ヒーター１１，２１への印
加電圧Ｖｏｕｔ（制御信号Ｓ２により決定）は、空気
（吹き出し流）温度の制御偏差ｅ（ｔ）に基づき次の数
式に従ってＰＩＤ制御される。 Ｖout ＝ ｛Ｋ・Ｔh （ｔ）｝β Ｔh （ｔ） ＝ １００／ＰＢ・｛ｅ（ｔ）＋１／ＴI
・Ｓｅｄｔ＋ＴD ・ｄｅ（ｔ）／ｄｔ｝ ただし、 Ｖout ：ヒーター制御出力電圧 ｔ：時間 β：定数 Ｔh （ｔ）：ヒーター制御量（温度） ＰＢ：比例帯
（％） ＴI ：積分時間 ＴD ：微分時間 Ｓ：積分記号（インテグラル） ｅ（ｔ）：空気流の温度の制御偏差、ｅ（ｔ）＝ＳＶ−
ＰＴ（ｔ） ＳＶ：空気流の温度の目標値 ＰＶ（ｔ）：空気流の温度の実測値ここで、上記数式の
うち後者は通常のＰＩＤフィードバック制御の式であ
り、同数式で求められる電気ヒーター１１，２１の制御
量（目標温度）Ｔｈ（ｔ）に基づき、上記数式のうち前
者にしたがって印加電圧Ｖｏｕｔ（すなわちＳ２）が設
定される。なお、上記後者の第３項（微分項）は、ノイ
ズ成分を拾いにくいように不完全微分項を使用してもよ
い。

【００３８】予備実験によれば、エアダクト１，２の吹
き出し流温度Ｔｈ（ｔ）と印加電圧Ｖｏｕｔとの間に
は、図１０に示すように非線形な関係がある。そこで、
上記数式のうち前者はこの非線形性を考慮し、指数関数
で近似している。したがって、逆にＴｈ（ｔ）を目標温
度として同数式により印加電圧Ｖｏｕｔを決定すること
ができる。ちなみに、本実施例ではβ＝０．８７として
いる。

【００３９】熱疲労試験の際、加熱開始時および冷却開
始時には印加電圧Ｖｏｕｔを一定の適正値に強制的に所
定時間保持するように、マザーボード６７８はプログラ
ムされている。本実施例では、加熱開始時に印加電圧Ｖ
ｏｕｔ＝１．５Ｖ，冷却開始時には印加電圧Ｖｏｕｔ＝
０Ｖに設定している。こうすることにより、加熱開始時
および冷却開始時の温度制御の遅れを短縮し、より迅速
に熱疲労試験を行うことができる。また、ＰＢ，ＴI ，
ＴD などの制御パラメーターを調整して、加熱・冷却の
速度を意図的に遅くすることも可能である。 （３）サイクル制御 熱疲労試験では、加熱・冷却のサイクルが所定の回数繰
り返される。その際、空気流の温度（エアダクト１，２
の吹き出し流温度）の目標値ＳＶは、以下のようにして
決定される。すなわち、以下の数式に示すように、１サ
イクル目（初回）には予め予備試験で求めておいた初期
値ＳＶ0 から始められるが、２サイクル目以降では前回
のサイクルにおける試験片４０中間部の温度の目標値か
らの偏差Ｅtp（目標値−実測値）を考慮して修正が加え
られる。なお、本試験では、試験片４０の中間部には温
度センサーを取り付けず、予め予備試験で測定しておい
た試験片４０中間部の温度と試験片４０上端部の孔内の
温度との関係に基づいて、試験片４０上端部の孔内温度
から上記偏差Ｅtpを算出してもよい。

【００４０】ＳＶ（１） ＝ ＳＶ0 ＳＶ（ｉ） ＝ ＳＶ（ｉ−１）＋Ｅtp（ｉ−１） ただし、 ＳＶ（ｉ）：ｉサイクル目の空気流の温度の目標値 ＳＶ0：初期の同目標値 Ｅtp（ｉ−１）：（ｉ−１）サイクル目の被試験体の温
度偏差、 Ｅtp（ｉ−１）＝ＳＶtp−ＰＶtp（ｉ−１） ＳＶtp：被試験体温度の目標値 ＰＶtp（ｉ−１）：被試験体温度の実測値 上記数式にしたがって空気流の温度の目標値ＳＶを毎サ
イクルで修正することにより、室温の変動などの外乱の
影響をほとんど受けることなく、試験片４０の温度の上
限値および下限値を所定の値に正確に制御することがで
きる。そのようすを定性的に図１１に示す。

【００４１】本熱疲労試験方法は、温度変化によって生
じる熱膨張を拘束することにより熱歪み（または熱応
力）を発生させる仕組みである。したがって、前述の二
組の数式で表される制御方法により、試験ユニット４
（特に試験片４０）の温度を所定の範囲内で良好な再現
性をもって繰り返し変化させることができるので、試験
片４０およびホルダー４１，４２に所定の熱歪みを精度
良く発生させ、極めて高精度な熱疲労試験を実施するこ
とができる。 （４）実施例の試験結果１ 以上の試験装置および試験方法において、表１に示すよ
うに目標値等を設定して熱疲労試験を行った。この際の
圧縮空気Ａ流量は、３２０〔ｌ／ｍｉｎ〕に保たれてい
た。この際の計測制御系のサンプリング周期および制御
周期は、１秒である。

【００４２】

【表１】 その結果、複数回数後の１サイクル（３００秒間）で
は、図１２に示すように、被試験体（中間部）温度は正
確に所定の目標温度（２００°Ｃ）に収束している。一
方、各空気流の温度（エアダクト１，２吹き出し流温
度）には加熱初期においてオーバーシュートが見られ、
試験ユニット４を短時間で加熱するように作用している
ことがわかる。

【００４３】図１２から、加熱時・冷却時ともに試験片
４０の温度は滑らかに一定値に漸近しており、５分間
（３００秒間）に１サイクルの割合の短時間で熱疲労試
験が可能であることが確認された。また、空気流の温度
もほぼ一定に制御されており、各エアダクト１，２間の
ばらつきも十分に小さい。したがって、試験ユニット４
全体が均一に加熱・冷却されており、本実施例の試験装
置と試験方法をもってすれば高精度の熱疲労試験が可能
であることも確認された。 （５）実施例の試験結果２ 試験条件を若干変え、圧縮空気Ａの圧力は４〔ｋｇ／ｃ
ｍ² 〕で一定、吹き出し流温度は約３００°Ｃまたは圧
縮空気Ａの温度で一定とし、フィードバック制御を加え
ずに試験して、本実施例のハードウェア自身の加熱・冷
却に要する時間を調査した。

【００４４】その結果、図１３に示すグラフが得られ
た。同図から、試験片４０における温度分布は、加熱時
・冷却時ともに試験片４０の中間部（＝被試験部、図７
参照）表面の温度（１）は、加熱・冷却を開始してから
１００秒程度でほぼ立ち上がりを終え、１５０秒程度か
らは定常状態に入っている。すなわち同温度（１）は、
試験片４０の上下端部の孔内温度（４），（５）に先行
して上昇・下降しているが、１２０〜１５０秒程度から
はほぼ一定になっている。

【００４５】このことから、エアダクト１，２からの吹
き出し流温度（６）〜（１１）を一定に保持することに
より、試験片４０およびホルダー４１，４２の温度を一
定に保持できることが分かった。また、室温から２５０
°Ｃまで程度の温度範囲では、加熱・冷却ともに１２０
秒程度で試験ユニット４各部の温度が安定し、比較的速
やかな温度制御が可能であることが確認された。 （６）実施例の効果 以上の結果から、本実施例の熱疲労試験装置および熱疲
労試験方法によれば、小型・簡素で安価な装置構成であ
りながら、支障なく熱疲労試験を実施できることがわか
った。さらに、半サイクル１２０秒程度の短時間で熱疲
労試験サイクルを実施することができ、熱疲労試験に要
する時間の大幅短縮が図れる見通しか得られた。 ３．各種変形態様 （１）実施例の変形態様１ 本実施例の制御方法を一部変更し、試験片４０の温度お
よびホルダー４１，４２の温度を目標温度ＳＶにして、
前述の二組の数式で記述されていた制御則を再構築する
こともできる。

【００４６】この制御則によって温度制御を行えば、直
接試験片４０の中間部の温度（１）を目標温度に入れて
制御が行われるので、よりいっそう迅速で精密な温度制
御が可能になるという効果がある。 （２）実施例の変形態様２ 本実施例の装置を用い、試験片４０の温度と試験片４０
にかかる歪みとを独立に制御する熱疲労試験を実施する
ことも可能である。

【００４７】すなわち、先ず、直接試験片４０の中間部
の温度（１）を目標温度ＳＶにし、エアダクト２の吹き
出し流温度（６），（７）を調整して、試験片４０の中
間部温度（１）を所望の値に制御する。次に、試験片４
０の温度と歪みゲージの出力値とをもとに割り出した試
験片４０に発生する歪みが所望の値になるように、エア
ダクト１の吹き出し流温度（８）〜（１１）を制御す
る。ここで、理解を容易にするために順に説明したが、
実際にはエアダクト１，２を同時に制御することが、速
やかな応答（温度制御）を得る上で望ましい。

【００４８】以上のように制御すれば、前述の効果に加
えて、本実施例の熱疲労試験装置で試験片４０の温度と
歪みとを独立に制御して、所望の条件の熱疲労試験を実
施することも可能であるという効果がある。 （３）実施例の変形態様３ 前述の実施例では、電気ヒーター１１，２１としてコイ
ル状に巻いた電熱線をエアダクト１，２の流路内に挿置
していたが、その他のヒーターを採用しても構わない。
例えば、電気ヒーターとしてセラミックヒーターを使用
することも可能である。本質的には、制御可能でさえあ
れば電気ヒーターに限定されないのであるが、価格の問
題や制御の容易さと応答の速さから、本実施例では電熱
線を採用している。 （４）実施例の変形態様４ 前述の実施例では、圧縮空気Ａの流量を一定とし温度制
御は電気ヒーター１１，２１による加熱量の調整で行っ
ていたが、電気ヒーター１１，２１の出力を一定にして
おいて、圧縮空気Ａの流量の調整により吹き出し流の温
度制御をしてもよい。

【００４９】この場合、各エアダクト１，２に通じるエ
アホース３に電動絞り弁を設けて開度調整すれば、流量
の多いエアダクトからは比較的低い温度の熱風が吹き出
し、逆に流量の少ないエアダクトからは比較的高い温度
の熱風が吹き出す。絞り弁は、各エアダクトにそれぞれ
一つずつ設ける必要は必ずしもなく、例えばエアダクト
１の系統に一つ、エアダクト２の系統に一つとしてもよ
い。なお、本変形態様では、電気ヒーター１１，２１は
オン・オフ制御ができればよい。

【００５０】本変形態様によっても、前述の実施例と類
似の熱疲労試験を実施することができる。あるいはま
た、エアダクト１，２からの吹き出し流の流量と電気ヒ
ーター１１，２１の熱出力との両者を制御すれば、より
高精度な熱疲労試験を実施することができるようにな
る。 （５）実施例の変形態様５ 前述の実施例では、温度センサーとして熱電対を採用し
ていたが、その他の温度センサーを使用してもよい。例
えば、温度センサーとして熱線カメラ（赤外画像センサ
ー）を使用（あるいは併用）することもできる。

【００５１】熱線カメラによれば、試験ユニット４の各
部の表面温度をリアルタイムで観測することができるの
で、多点観測が可能になる。それゆえ、複数のエアダク
トの吹き出し流温度を独立に制御することにより、所望
の温度分布や温度勾配を試験片４０に与えることが容易
になるという効果がある。また、モニター画面に温度分
布の画像を映し出すことにより、試験員に温度分布が直
観的に理解されるという効果もある。さらに、個々の試
験片４０に温度センサーを取り付ける作業が不要にな
り、人件費の節減にもなるという効果もある。 （６）実施例の変形態様６ 前述の実施例では、ＰＩＤ制御を基本制御則としていた
が、その他の制御則を導入することも可能である。例え
ば、温度制御則に、ファジー制御を採用してもよい。

【００５２】各測定温度信号Ｓ１を入力とし、電気ヒー
ター１１，２１の印加電圧Ｖｏｕｔを制御する制御信号
Ｓ２を出力として、試験員の経験等に基づいてメンバー
シップ関数を適正に決めてやれば、ファジー制御系を構
成することができる。何度か試運転してメンバーシップ
関数を調整すれば、所望の特性をもつ制御系を作り上げ
ることができる。ファジー制御によれば、ゲインを高め
た線型フィードバック制御ループのような発散（不安定
化）の心配がなく、より応答性に優れた温度制御が可能
になる。 （７）実施例の変形態様７ また、ＬＳＩ、コンデンサなどを含む半導体素子、およ
びこれらを配した電子基板に対して、上記の試験装置お
よび方法を用いて熱疲労試験（温度サイクル試験）を行
えることを確認した。

【００５３】以上に開示された実施例は、発明を説明す
るためのものであり、制限するためものものではないと
考えられたい。本発明の意図するところは、前述の説明
よりもむしろ添付のクレーム（特許請求の範囲）に示さ
れており、本発明の実施例と同等の置き換えなどは本発
明の権利範囲に含まれるものとする。

【図面の簡単な説明】

【図１】 一実施例としての熱疲労試験装置の全体構成
を示す模式図

【図２】 本実施例の試験ユニットの形状を示す組図 （ａ）正面図 （ｂ）側面図

【図３】 本実施例の試験ユニットおよびガスダクトの
配置を示す平面図

【図４】 本実施例の試験ユニットおよびガスダクトの
配置を示す正面図

【図５】 本実施例の試験ユニットおよびガスダクトの
配置を示す側面図

【図６】 本実施例の圧縮ガス供給手段の構成を示す系
統図

【図７】 本実施例の試験ユニットにおける熱電対の装
着部位を示す図

【図８】 本実施例のガスダクトにおける熱電対の挿着
部位を示す斜視図

【図９】 本実施例の計測制御系の構成を示す系統図

【図１０】ヒーター印加電圧と吹き出し流温度との関係
を示すグラフ

【図１１】吹き出し流温度の目標値と印加電圧との時間
関係を示すグラフ

【図１２】本実施例の試験結果１の各部温度変化を示す
グラフ

【図１３】本実施例の試験結果２の各部温度変化を示す
グラフ

【符号の説明】

１，２：エアダクト（ガスダクトとして） １０，２０：開口端（吹き出し口） １１，２１：電気ヒーター（電気的加熱手段として） ３００：圧縮空気供給手段（圧縮ガス供給手段として） ３：エアホース ３０：圧縮空気源 ３１：バルブ ３２：圧力調整弁 ３３：圧力計 ４：試験ユニット（被試験体として） ４０：試験片 ４１，４２：ホルダー ４３：ボル
ト・ナット ８：歪みゲージ ５００：温度制御ユニット ５０：電源 ５：電圧
制御ユニット １００：パーソナル・コンピュータ（ディスプレイ付
き） ６７８：マザーボード（制御手段） ６０：温度制御
ボード ７０：温度測定ボード（温度計測手段） ８０：歪み
計測ボード ９００：基台ユニット ９：基台（実験テーブル） ９１：支持台（フレー
ム） ９２：爪（セラミック板製） ９３：クランプ ９
４：支柱 （１）〜（１１）：熱電対の装着部位 Ａ：圧縮空気
（圧縮ガスとして） Ｓ１：測定温度信号（デジタル） Ｓ２：制御信号
（デジタル） Ｓ２’：制御信号（アナログ） Ｖout：印加電圧

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】加熱手段を内蔵し被試験体に対して開口す
   る少なくとも一つのガスダクトと、 該加熱手段の出力を制御する出力制御ユニットと、 該ガスダクトに圧縮ガスを供給する圧縮ガス供給手段
   と、 該ガスダクトに供給される圧縮ガスの流路を開閉するバ
   ルブと、を有する熱疲労試験装置。
2. 【請求項２】前記ガスダクトは複数個あり、前記被試験
   体の複数箇所に対して複数方向から開口している、請求
   項１記載の熱疲労試験装置。
3. 【請求項３】前記加熱手段は、その出力が電気的に制御
   できる電気的加熱手段である、請求項１記載の熱疲労試
   験装置。
4. 【請求項４】前記被試験体と前記ガスダクト出口付近と
   のうち少なくとも一方に取り付けられている温度センサ
   と、 該温度センサからの信号に基づいて当該箇所の温度を計
   測し測定温度信号を発生する温度計測手段と、 該測定温度信号に基づいて前記加熱手段の出力と前記圧
   縮ガスの流量とのうち少なくとも一方を適正な水準に制
   御する制御信号を生成する制御手段と、 該制御信号に従い該加熱手段の出力を調節する出力制御
   ユニットと該制御信号に従い前記バルブを駆動して圧縮
   ガスの流量を調整するバルブ駆動手段とのうち少なくと
   も一方と、をさらに有する、請求項１記載の熱疲労試験
   装置。
5. 【請求項５】前記被試験体は、試験片とホルダとからな
   り、 該ホルダは、該試験片とは膨張率の異なる材質からでき
   ており、 該試験片は、該ホルダに取り付けられており、 該試験片の熱膨張が該ホルダにより拘束される、請求項
   １記載の熱疲労試験装置。
6. 【請求項６】前記試験片および前記ホルダのうち少なく
   とも一方には、歪みゲージが少なくとも一つ装着されて
   いる、請求項５記載の熱疲労試験装置。
7. 【請求項７】前記ガスダクトのうち幾つかは前記試験片
   に直接吹きつけ、 前記ガスダクトのうち他の幾つかは前記ホルダーに直接
   吹きつける、請求項５記載の熱疲労試験装置。
8. 【請求項８】前記バルブは、その開度を複数の段階もし
   くは連続的に任意に設定可能である、請求項１記載の熱
   疲労試験装置。
9. 【請求項９】前記制御手段を規定のプログラムに従って
   自動的に制御するとともに、少なくとも前記温度計測手
   段からの温度データを含む計測データを自動的に記録す
   る自動計測制御手段をさらに有する、請求項４記載の熱
   疲労試験装置。
10. 【請求項１０】前記圧縮ガスのガスは、空気、窒素また
    は不活性ガスである、請求項１記載の熱疲労試験装置
11. 【請求項１１】被試験体の一箇所以上に対して、一箇所
    以上の吹き出し口から冷風と熱風とのガス流を、該ガス
    流の温度を個別に制御しながら交互に吹き付けることに
    より、該被試験体に温度サイクルを与える過程からなる
    熱疲労試験方法。
12. 【請求項１２】前記熱風は、加熱手段により加熱されて
    昇温または一定温度に保持される前記ガス流であり、 前記冷風は、放冷と加熱手段による補助的な加熱とによ
    り降温または一定温度に保持される前記ガス流である、
    請求項１１記載の熱疲労試験方法。
13. 【請求項１３】前記被試験体の所定部分の温度と前記吹
    き出し口付近の前記ガス流の温度とのうち少なくとも一
    つが計測され、 該計測の結果に基づいて該ガス流の温度制御が行われ
    る、請求項１１記載の熱疲労試験方法。
14. 【請求項１４】前記加熱手段は、出力が電気的に制御で
    きる電気的加熱手段であり、 前記温度制御は、該電気的加熱手段の出力を制御するＰ
    ＩＤ制御であり、 前記ＰＩＤ制御は、次の数式にしたがって行われる、ク
    レーム１３の方法。 Ｖout ＝ ｛Ｋ・Ｔh （ｔ）｝β Ｔh （ｔ） ＝ １００／ＰＢ・｛ｅ（ｔ）＋１／ＴI
    ・Ｓｅｄｔ＋ＴD ・ｄｅ（ｔ）／ｄｔ｝ ただし、 Ｖout ：ヒーター制御信号（電圧または電流） ｔ：時間 β：定数 Ｔh （ｔ）：ヒーター制御量（温度） ＰＢ：比例帯
    （％） ＴI ：積分時間 ＴD ：微分時間 Ｓ：積分記号（インテグラル） ｅ（ｔ）：ガス流の温度の制御偏差、ｅ（ｔ）＝ＳＶ−
    ＰＴ（ｔ） ＳＶ：ガス流の温度の目標値 ＰＶ（ｔ）：ガス流の温度の実測値
15. 【請求項１５】前記ガス流は、次の数式に従って交互に
    吹きつける前記冷風と前記熱風とである、請求項１３記
    載の熱疲労試験方法。 ＳＶ（１） ＝ ＳＶ0 ＳＶ（ｉ） ＝ ＳＶ（ｉ−１）＋Ｅtp（ｉ−１） ただし、 ＳＶ（ｉ）：ｉサイクル目のガス流の温度の目標値 ＳＶ0：初期の同目標値 Ｅtp（ｉ−１）：（ｉ−１）サイクル目の被試験体の温
    度偏差、 Ｅtp（ｉ−１）＝ＳＶtp−ＰＶtp（ｉ−１） ＳＶtp：被試験体温度の目標値 ＰＶtp（ｉ−１）：被試験体温度の実測値
16. 【請求項１６】前記ガス流のガスは、空気、窒素または
    不活性ガスである、請求項１１記載の熱疲労試験方法。