(57)【要約】【課題】実機構造物において採取した現地において、微小な供試体に対して高精度に試験することができる小型曲げ疲労試験装置を提供することである。【解決手段】供試体１５の二点を基台１３ａ、１３ｂに支持する二つの支持治具１６ａ、１６ｂを備え、二つの支持治具１６ａ、１６ｂ間に供試体１５に荷重あるいは変位を与えるための可動治具１７ａ、１７ｂを位置させ、基台本体１２に設けられた超磁歪アクチュエータ１８の磁界変化時の伸縮作用により可動治具１７ａ、１７ｂを直接あるいは間接的に移動させて供試体１５に曲げ負荷を加える。これにより、持ち運び可能で供試体１５に大きな荷重を負荷することができ材料特性を高精度に試験することができる。【選択図】  図１
2004257853.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
供試体の二点を基台に支持する二つの支持治具と、前記二つの支持治具間に位置し前記供試体に荷重あるいは変位を与えるための可動治具と、基台本体に設けられ磁界変化時の伸縮作用により前記可動治具を直接あるいは間接的に移動させて前記供試体に曲げ負荷を加える超磁歪アクチュエータとを備えたことを特徴とする小型曲げ疲労試験装置。
【請求項２】
前記支持治具は前記供試体を挟持して前記供試体を前記基台に固定する固定チャックであり、前記可動治具は前記供試体を挟持して前記超磁歪アクチュエータにより駆動され可動する可動チャックであることを特徴とする請求項１記載の小型曲げ疲労試験装置。
【請求項３】
前記固定チャックの位置を、垂直方向および水平方向に移動させるためのチャック位置調整治具を備えたことを特徴とする請求項２記載の小型曲げ疲労試験装置。
【請求項４】
前記固定チャックの上部位置と前記可動チャックの上部位置とを結んだ線上に水平度を計測する水平度計を備えたことを特徴とする請求項２記載の小型曲げ疲労試験装置。
【請求項５】
前記供試体の負荷がかけられた部分を拡大して観察するための映像入力装置を備えたことを特徴とする請求項２記載の小型曲げ疲労試験装置。
【請求項６】
前記供試体に負荷する荷重を検知する荷重センサを前記可動治具に設けたことを特徴とする請求項１記載の小型曲げ疲労試験装置。
【請求項７】
前記荷重センサで検出された負荷荷重が目標値になるように前記超磁歪アクチュエータにフィードバック制御する制御装置を設けたことを特徴とする請求項６記載の小型曲げ疲労試験装置。
【請求項８】
前記可動治具の変位量を計測する非接触変位計を備えたことを特徴とする請求項１記載の小型曲げ疲労試験装置。
【請求項９】
前記非接触変位計により計測された変位量が目標値になるように前記超磁歪アクチュエータにフィードバック制御する制御装置を設けたことを特徴とする請求項８記載の小型曲げ疲労試験装置。
【請求項１０】
前記可動治具と前記超磁歪アクチュエータとの間に設けられ、前記超磁歪アクチュエータの変位を拡大して前記可動治具に伝達する変位拡大装置を備えたことを特徴とする請求項１記載の小型曲げ疲労試験装置。
【請求項１１】
前記変位拡大装置は、てこまたは非圧縮性流体を用いた変位拡大機構を備えたことを特徴とする請求項１０記載の小型曲げ疲労試験装置。
【請求項１２】
前記供試体を囲う空間に温度調整機構を備えた環境槽を設けたことを特徴とする請求項１記載の小型曲げ疲労試験装置。
【請求項１３】
供試体の二点を二つの支持治具で基台に支持し、前記二つの支持治具間に可動治具を配置し、超磁歪アクチュエータの磁界変化時の伸縮作用により前記可動治具を直接あるいは間接的に移動させて前記供試体に荷重あるいは変位を与え、前記供試体に曲げ負荷を加えることを特徴とする曲げ疲労試験方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、供試体の材料特性を高精度に試験するための持ち運び可能な小型曲げ疲労試験装置および方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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特性試験が行われている。一般に、材料特性試験は、試験体を標準化された形状に加工し、その試験体に対して油圧アクチュエータ等の手段を用いて負荷を与え上述の種々の材料特性試験を行う。
【０００３】
これに対し、プリント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材料特性評価試験を行うことになる。一方、プリント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。
【０００４】
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、特許文献等１、特許宇文献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。
【０００５】
【特許文献等１】
特開２０００−２９８０８７号公報
【０００６】
【特許文献等２】
特開２００１−１０８５８６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
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。
【０００８】
すなわち、実機構造物において採取した微小な供試体に対して、これまでと同等以上に高精度に試験することができ、供試体を採取した現地で試験が行えるような試験装置の開発が望まれてきている。
【０００９】
本発明の目的は、実機構造物において採取した現地において、微小な供試体に対して高精度に試験することができる小型曲げ疲労試験装置および方法を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の小型曲げ疲労試験装置は、供試体の二点を基台に支持する二つの支持治具を備え、二つの支持治具間に供試体に荷重あるいは変位を与えるための可動治具を位置させ、基台本体に設けられた超磁歪アクチュエータの磁界変化時の伸縮作用により可動治具を直接あるいは間接的に移動させて供試体に曲げ負荷を加えることを特徴とする。これにより、持ち運び可能で供試体に大きな荷重を負荷することができ材料特性を高精度に試験することができる。
【００１１】
本発明の曲げ疲労試験方法は、供試体の二点を二つの支持治具で基台に支持し、二つの支持治具間に可動治具を配置し、超磁歪アクチュエータの磁界変化時の伸縮作用により可動治具を直接あるいは間接的に移動させて供試体に荷重あるいは変位を与え、供試体に曲げ負荷を加えることを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係わる小型曲げ疲労試験装置１１の構成図である。小型曲げ疲労試験装置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を接合した供試体１５が装着される。供試体１５は両端を支持治具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。可動治具１７ａ、１７ｂは、基台本体１２に配置された超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。
【００１３】
超磁歪アクチュエータ１８は磁界の変化に伴い磁歪材料を伸縮させ、可動治具１７ａ、１７ｂを駆動するものである。超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等の特徴を有する。
【００１４】
電子部品１４が接合された供試体１５の曲げ疲労試験を行うにあたっては、支持治具１６ａ、１６ｂにより供試体１５を基台１３ａ、１３ｂに固定する。そして、超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治具１７ａ、１７ｂを移動させて供試体１５に負荷を加え、供試体１５の曲げ疲労試験を行う。
【００１５】
第１の実施の形態によれば、超磁歪アクチュエータ１８を供試体１５に荷重を加える負荷駆動源として用いるので、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、また、曲げ疲労試験装置全体を持ち運べるような小型なものにすることができる。
【００１６】
次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。図２は本発明の第２の実施の形態に係わる小型曲げ疲労試験装置１１の構成図である。この第２の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、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を用いたものである。図１に示した第１の実施の形態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。
【００１７】
図２において、固定チャック１９ａ、１９ｂは供試体１５を挟んで支持し供試体１５を基台１３ａ、１３ｂに固定する。可動チャック２０ａ、２０ｂは供試体１５を挟んで支持し超磁歪アクチュエータ１８により駆動され可動する。
【００１８】
すなわち、供試体１５の両端を固定チャック１９ａ、１９ｂで支持し、可動チャック２０ａ、２０ｂにより挟持した供試体１５に対し、超磁歪アクチュエータ１８で供試体１５に荷重あるいは変位を与える。これにより、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を上下方向に荷重あるいは変位を与えられるようになる。
【００１９】
第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態の効果に加え、供試体１５に正と負との両方の曲げ応力を負荷することが可能となる。
【００２０】
次に、本発明の第３の実施の形態を説明する。図３は本発明の第３の実施の形態に係わる小型曲げ疲労試験装置１１の構成図である。この第３の実施の形態は、図２に示した第２の実施の形態に対し、固定チャック１９ａ、１９ｂの位置を垂直方向および水平方向に移動させるためのチャック位置調整治具２１ａ、２１ｂを設けたものである。図２に示した第２の実施の形態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。
【００２１】
図３において、チャック位置調整治具２１ａ、２１ｂは、垂直方向可動式ステージ２２ａ、２２ｂと水平方向可動式ステージ２３ａ、２３ｂとを有し、これらは互いに接続されている。垂直方向可動式ステージ２２ａ、２２ｂは基台１３ａ、１３ｂを垂直方向に位置調整し、水平方向可動式ステージ２３ａ、２３ｂは基台１３ａ、１３ｂを水平方向に位置調整する。
【００２２】
すなわち、垂直方向可動式ステージ２２ａ、２２ｂは、基台１３ａ、１３ｂに取り付けられ、基台１３ａ、１３ｂを垂直方向に調整することにより、基台１３ａ、１３ｂに取り付けられた固定チャック１９ａ、１９ｂを垂直方向に調整する。
【００２３】
一方、水平方向可動式ステージ２３ａ、２３ｂは基台本体１２に取り付けられ、垂直方向可動式ステージ２２ａ、２２ｂと接続されていることから、水平方向可動式ステージ２３ａ、２３ｂを操作することにより、垂直方向可動式ステージ２２ａ、２２ｂが水平方向に移動する。これにより、基台１３ａ、１３ｂを水平方向に調整し、基台１３ａ、１３ｂに取り付けられた固定チャック１９ａ、１９ｂを水平方向に調整する。
【００２４】
このように、基台本体１２と基台１３ａ、１３ｂとを垂直方向可動式ステージ２２ａ、２２ｂと水平方向可動式ステージ２３ａ、２３ｂとの二軸方向可動式ステージにより接続し、基台本体１２と基台１３ａ、１３ｂの相対位置を変化させる。
【００２５】
第３の実施の形態によれば、第２の実施の形態の効果に加え、基台本体１２と基台１３ａ、１３ｂの相対位置を変化させることができるので、供試体１５を固定チャック１９ａ、１９ｂおよび可動チャック２０ａ、２０ｂに固定する際に、余計な曲げ荷重を発生させることなく取り付けることができる。従って、適正に高精度な曲げ疲労試験を行える。
【００２６】
次に、本発明の第４の実施の形態を説明する。図４は本発明の第４の実施の形態に係わる小型曲げ疲労試験装置１１の構成図である。この第４の実施の形態は、図２に示した第２の実施の形態に対し、固定チャック１９ａ、１９ｂの上部位置と可動チャック２０ａ、２０ｂの上部位置とを結んだ線上に水平度を計測する水平度計２４ａ、２４ｂを設けたものである。図２に示した第２の実施の形態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。
【００２７】
図４において、固定チャック１９ａ、１９ｂの最上部と可動チャック２０ａ、２０ｂとの間に水平度計２４ａ、２４ｂが設けられており、供試体１５を固定チャック１９ａ、１９ｂおよび可動チャック２０ａ、２０ｂに固定する際に、固定チャック１９ａ、１９ｂと可動チャック２０ａ、２０ｂとの間の水平度を計測する。そして、供試体１５が水平となるように装着する。
【００２８】
第４の実施の形態によれば、第２の実施の形態の効果に加え、供試体１５を固定チャック１９ａ、１９ｂおよび可動チャック２０ａ、２０ｂに固定する際に、固定チャック１９ａ、１９ｂと可動チャック２０ａ、２０ｂとの間の水平度を確認しながら供試体１５を装着できるので、余計な曲げ荷重が発生している状態で供試体１５を装着することを防止できる。
【００２９】
次に、本発明の第５の実施の形態を説明する。図５は本発明の第５の実施の形態に係わる小型曲げ疲労試験装置１１の構成図である。この第５の実施の形態は、図２に示した第２の実施の形態に対し、供試体１５の負荷がかけられた部分を拡大して観察するための映像入力装置２５を設けたものである。図２に示した第２の実施の形態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。
【００３０】
図５において、供試体１５に接合されている電子部品１４の上方、つまり、供試体１５の負荷がかけられた部分に映像入力装置２５が設けられている。小型曲げ疲労試験装置１１は、基台本体１２の上部に基台１３ａ、１３ｂを形成して構成されているので、供試体１５の上方には空間を有することになり、この空間に映像入力装置２５を設置する。映像入力装置２５は、供試体の部分を拡大した映像を得るものであり、例えば、映像入力装置２５としては顕微鏡や拡大カメラが用いられる。そして、供試体１５の曲げ疲労試験の際には電子部品１４の損傷挙動を拡大して観察する。
【００３１】
第５の実施の形態によれば、曲げ疲労試験中に映像入力装置２５で供試体１５の負荷部分（例えば電子部品１４の接合部分）を拡大して観察できるので、より高精度な試験を行うことができる。
【００３２】
次に、本発明の第６の実施の形態を説明する。図６は本発明の第６の実施の形態に係わる小型曲げ疲労試験装置１１の構成図である。この第６の実施の形態は、図２に示した第２の実施の形態に対し、供試体１５に負荷する荷重を検知する荷重センサ２６を可動治具１７ａ、１７ｂである可動チャック２０ａ、２０ｂに設けると共に、可動治具１７ａ、１７ｂである可動チャック２０ａ、２０ｂの変位量を計測する非接触変位計２７を設けたものである。図２に示した第２の実施の形態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。
【００３３】
図６において、非接触変位計２７は可動治具１７ａ、１７ｂである可動チャック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６では、小型曲げ疲労試験装置１１が設置される場所の近傍の固定壁２８に取り付けられた場合を示している。非接触変位計２７は、例えばレーザー変位計あるいは渦電流式変位計などの非接触変位計であり、可動治具１７ａ、１７ｂが固定されている可動治具基台２９ａ、２９ｂの変位を計測することにより、可動治具１７ａ、１７ｂである可動チャック２０ａ、２０ｂの移動量を検知する。また、超磁歪アクチュエータ１８と可動治具１７ａ、１７ｂである可動チャック２０ａ、２０ｂとの間には、荷重を検知する荷重センサ２６が接続されており、供試体１５に負荷される荷重を検知する。
【００３４】
第６の実施の形態によれば、供試体の曲げ疲労試験中において供試体１５の変位量や負荷される荷重が計測できるので、高精度の試験を行うことができる。
【００３５】
次に、本発明の第７の実施の形態を説明する。図７は本発明の第７の実施の形態に係わる小型曲げ疲労試験装置１１の構成図である。この第７の実施の形態は、図６に示した第６の実施の形態に対し、荷重センサ２６で検出された負荷荷重が目標値になるように超磁歪アクチュエータ１８にフィードバック制御すると共に、非接触変位計２７により計測された変位量が目標値になるように超磁歪アクチュエータ１８にフィードバック制御する制御装置３０を設けたものである。図２に示した第２の実施の形態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。
【００３６】
図７において、曲げ疲労試験中に供試体１５に発生する変位は、非接触変位計２７で検出され、制御装置３０の変位入力部３１を介して制御部３２に入力される。同様に、曲げ疲労試験中に供試体１５に負荷されている荷重は、荷重センサ２６で検出され荷重入力部３３を介して制御部３２に入力される。また、制御部３２には、設定部３４で設定された変位目標値および荷重目標値が入力されている。
【００３７】
制御部３２は、変位を制御する場合においては、検出した変位データが設定部３４に設定された変位目標値になるように、電源３５および発信機３６を通じて超磁歪アクチュエータ１８に対しフィードバック制御する。一方、制御部３２は、荷重を制御する場合においては、検出した荷重データが設定部３４に設定された荷重目標値になるように、電源３５および発信機３６を通じて超磁歪アクチュエータ１８に対しフィードバック制御する。これにより、適正に変位制御試験および荷重制御試験を行うことができる。
【００３８】
第７の実施の形態によれば、制御装置３０により供試体１５の変位や供試体１５への荷重がそれぞれ目標値になるようにフィードバック制御するので、適正に変位制御試験および荷重制御試験を行うことができる。
【００３９】
次に、本発明の第８の実施の形態を説明する。図８は本発明の第８の実施の形態に係わる小型曲げ疲労試験装置１１の構成図である。この第８の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、可動治具１７と超磁歪アクチュエータ１８との間に超磁歪アクチュエータ１８の変位を拡大して可動治具１７に伝達する変位拡大装置３７を設けたものである。図１に示した第１の実施の形態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。
【００４０】
図８において、超磁歪アクチュエータ１８には、基台本体１２に端部を固定された変位拡大装置３７が接続されており、この変位拡大装置３７の他端側は支持治具１７に接続されている。これにより、超磁歪アクチュエータ１８に発生した変位は、てこの原理によって拡大され、支持治具１７の移動量を拡大することが可能となる。
【００４１】
また、図９に示すように、てこの原理に代えて、非圧縮性流体を用いた変位拡大機構とすることも可能である。変位拡大機構は、超磁歪アクチュエータ１８と支持治具１７との間に設けられる。外筒３８の内部に非圧縮流体性３９を封入し、超磁歪アクチュエータ１８にはアクチュエータ側ピストン４０を設け、支持治具１７側には支持治具側ピストン４１を設けている。外筒３８の内径は、超磁歪アクチュエータ１８の側と支持治具１７の側とでは異なり、支持治具１７の側の方が超磁歪アクチュエータ１８の側よりも小さくなっている。
【００４２】
これにより、アクチュエータ側ピストン４０の移動に追従して支持治具側ピストン４１が移動する際には、アクチュエータ側ピストン４０の移動量よりも支持治具側ピストン４１の移動量の方が大きくなり、その結果、超磁歪アクチュエータ１８の変位を拡大して支持治具１７に伝えることが可能となる。
【００４３】
第８の実施の形態によれば、可動治具１７と超磁歪アクチュエータ１８との間に設けた変位拡大装置により、超磁歪アクチュエータ１８の変位を拡大して可動治具１７に伝達するので、大きな荷重を供試体１５に負荷することが可能となる。従って、持ち運びできる小型曲げ疲労試験装置であっても適正に曲げ疲労試験を行うことができる。
【００４４】
次に、本発明の第９の実施の形態を説明する。図１０は本発明の第９の実施の形態に係わる小型曲げ疲労試験装置１１の構成図である。この第９の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、供試体１５を囲う空間に温度調整機構を備えた環境槽４２を設けものである。図１に示した第１の実施の形態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。
【００４５】
図１０に示すように、供試体１５を囲う空間には、環境槽４２が設けられている。環境槽４２は、温度制御ユニットあるいは腐食環境槽ユニット等を内蔵しており、様々な温度環境や腐食環境下での試験が可能となっている。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、実機構造物において採取したより微小な供試体に対しても、これまでと同等以上に高精度に試験することができ、十分な荷重を負荷でき、供試体を採取した現地で試験が行えるように小型化できる機構を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係わる小型曲げ疲労試験装置の構成図。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係わる小型曲げ疲労試験装置の構成図。
【図３】本発明の第３の実施の形態に係わる小型曲げ疲労試験装置の構成図。
【図４】本発明の第４の実施の形態に係わる小型曲げ疲労試験装置の構成図。
【図５】本発明の第５の実施の形態に係わる小型曲げ疲労試験装置の構成図。
【図６】本発明の第６の実施の形態に係わる小型曲げ疲労試験装置の構成図。
【図７】本発明の第７の実施の形態に係わる小型曲げ疲労試験装置の構成図。
【図８】本発明の第８の実施の形態に係わる小型曲げ疲労試験装置の構成図。
【図９】本発明の第８の実施の形態に係わる小型曲げ疲労試験装置における変位拡大装置の他の一例の構成図。
【図１０】本発明の第９の実施の形態に係わる小型曲げ疲労試験装置の構成図。
【符号の説明】
１１…小型曲げ疲労試験装置、１２…基台本体、１３…基台、１４…電子部品、１５…供試体、１６…支持治具、１７…可動治具、１８…超磁歪アクチュエータ、１９…固定チャック、２０…可動チャック、２１…チャック位置調整治具、２２…垂直方向可動式ステージ、２３…水平方向可動式ステージ、２４…水平度計、２５…映像入力装置、２６…荷重センサ、２７…非接触変位計、２８…固定壁、２９…可動治具基台、３０…制御装置、３１…変位入力部、３２…制御部、３３…荷重入力部、３４…設定部、３５…電源、３６…発信機、３７…変位拡大装置、３８…外筒、３９…非圧縮流体性、４０…アクチュエータ側ピストン、４１…支持治具側ピストン、４２…環境槽
【図１】
2004257853.tif 000003
【図２】
2004257853.tif 000004
【図３】
2004257853.tif 000005
【図４】
2004257853.tif 000006
【図５】
2004257853.tif 000007
【図６】
2004257853.tif 000008
【図７】
2004257853.tif 000009
【図８】
2004257853.tif 000010
【図９】
2004257853.tif 000011
【図１０】
2004257853.tif 000012