(57)【要約】【課題】汎用性及び信頼性の高い、機器の熱劣化診断装置を得ること。【解決手段】金属棒状体４と、該金属棒状体が挿通される所定の長さの孔８ａが設けられた金属ブロック７と、該孔に該金属棒状体が挿通された状態で、該孔に溶融状態で流し込まれて該金属棒状体と該孔とに所定の固着面積で固着したクリープ破壊特性を有する低融点合金８と、該金属棒状体と該低融点合金の固着面に所定のせん断応力を発生させるように該金属ブロックを押圧する弾性体６と、所定温度及び所定時間の熱負荷により該低融点合金がクリープせん断破壊して、該弾性体の弾性力により該金属ブロックが移動したのを検出し表示する検出表示手段１０ａと、を備えた。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属棒状体と、
該金属棒状体が挿通される所定の長さの孔が設けられた金属ブロックと、
該孔に該金属棒状体が挿通された状態で、該孔に溶融状態で流し込まれて該金属棒状体と該孔とに所定の固着面積で固着したクリープ破壊特性を有する低融点合金と、
該金属棒状体と該低融点合金の固着面に所定のせん断応力を発生させるように該金属ブロックを押圧する弾性体と、
所定温度及び所定時間の熱負荷により該低融点合金がクリープせん断破壊して、該弾性体の弾性力により該金属ブロックが移動したのを検出し表示する検出表示手段と、を備えた機器の熱劣化診断装置。
【請求項２】
前記検出表示手段は、前記金属棒状体、前記弾性体、前記金属ブロック、前記低融点合金、リード線、電源及び表示器から成ることを特徴とする請求項１に記載の機器の熱劣化診断装置。
【請求項３】
前記検出表示手段は、前記金属棒状体、前記弾性体、前記金属ブロック、前記低融点合金、導電ストッパ、前記リード線、前記電源及び前記表示器から成ることを特徴とする請求項１に記載の機器の熱劣化診断装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電気機器、電子機器などの機器の熱劣化を検出し表示する熱劣化診断装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気、電子部品や、それらの集合体である電気、電子機械などの機器は、自身の発生する熱または周囲からの熱により長期間の稼動の間に熱劣化し、所期の性能を発揮できなくなり、いわゆる寿命となる。熱劣化の進行度合は、温度が高いほど、また、その温度にさらされている時間が長いほど著しい。
【０００３】
このような機器の熱劣化診断装置として、電力変換器のゲートドライブ装置において、ゲートドライブ装置のプリント板に、プリント板に実装されているどの部品よりもプリント板との線膨張係数の差が大きい材質のテストピースを半田接続して実装し、そのテストピースが予め定めた半田接続寿命に達すると、半田接続部がクラックにより電気的にオープンとなって警報信号を出力するものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−８９２１４号公報（第２頁、図１、図２）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述の従来の技術は、部品がプリント板に実装されている電気、電子装置にしか適用することができず、また、半田クラックの進行により半田接続部がオープンとなる時間は個体差が大きく、また、クラックが入っても電気的接触が継続して必ずしもオープンになるとはかぎらず、信頼性の高いものとは言えなかった。
【０００６】
この発明は、上記に鑑みてなされたもので、汎用性及び信頼性の高い、機器の熱劣化診断装置を得ることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る機器の熱劣化診断装置は、金属棒状体と、該金属棒状体が挿通される所定の長さの孔が設けられた金属ブロックと、該孔に該金属棒状体が挿通された状態で、該孔に溶融状態で流し込まれて該金属棒状体と該孔とに所定の固着面積で固着したクリープ破壊特性を有する低融点合金と、該金属棒状体と該低融点合金の固着面に所定のせん断応力を発生させるように該金属ブロックを押圧する弾性体と、所定温度及び所定時間の熱負荷により該低融点合金がクリープせん断破壊して、該弾性体の弾性力により該金属ブロックが移動したのを検出し表示する検出表示手段と、を備えている。
【０００８】
この発明によれば、低融点合金のクリープ破壊特性が電気機器、電子機器などの熱負荷による寿命特性と類似しており、かつ、クリープ破壊すると弾性体の弾性力により金属ブロックが移動するので、正確にこれらの機器の熱劣化寿命を診断することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に、添付図面を参照してこの発明に係る機器の熱劣化診断装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。
【００１０】
実施の形態１．
図１〜６を用いて、この発明の実施の形態１を説明する。図１はこの発明の実施の形態１の機器の熱劣化診断装置を示す縦断面図、図２は熱劣化を表示する状態を示す縦断面図、図３は共晶半田のクリープ破壊特性を示す図、図４はアルミ電解コンデンサーの寿命特性を示す図、図５は共晶半田のクリープ破壊マスター曲線を示す図、図６はコンデンサー寿命特性線と共晶半田クリープ破壊特性線を重ね書きした線図である。
【００１１】
図において、機器の近傍もしくは機器内部に設置され、機器と同じ熱環境に置かれる熱劣化診断装置１は、筒状のケース２内に収められ、金属棒状体４の基端部が円柱形の支持ブロック３に支持されてケース２の中心部に設置されている。
金属棒状体４の先端部には、金属棒状体４が挿通された所定の長さの孔８ａが設けられた円板状の金属ブロック７が設置されている。孔８ａには、クリープ破壊特性を有する低融点合金としての共晶半田が溶融状態で流し込まれ、金属棒状体４と金属ブロック７とは、共晶半田８で固着されている。共晶半田８は、穴８ａの長さ分だけ流し込まれ、金属棒状体４と共晶半田８とは、金属棒状体４の太さと孔８ａの長さで決まる所定の固着面積で固着している。
【００１２】
金属棒状体４で接続された支持ブロック３と金属ブロック７の間には、弾性体としてのコイルバネ６が挿入され、コイルバネ６の両側には円板状の絶縁板５、５が装着され、支持ブロック３とコイルバネ６と金属ブロック７との間を絶縁している。金属棒状体４の基端部または支持ブロックに接続されたリード線９と、金属ブロック７に接続されたリード線９ａとがケース２の外に引き出され、電源１１及び表示器１０に直列に接続されている。金属棒状体４、弾性体としてのコイルバネ６、金属ブロック７、低融点合金としての共晶半田８、リード線９、９ａ、電源１１及び表示器１０は検出表示手段１０ａを構成している。熱劣化診断装置１が機器のケースの中に収められるときは、ケース２はなくてもよい。
【００１３】
次に、上記のように構成された熱劣化診断装置１の動作を説明する。金属ブロック７は、コイルバネ６により常に所定のバネ力で押圧されているので、金属棒状体４と共晶半田８の固着面には、常に所定のせん断応力が発生している。機器と同じ熱環境に置かれ、所定温度の熱負荷を受けていると、共晶半田８はせん断応力により徐々にクリープ変形を起こし、図２に示すように、所定期間（時間）経過後には、せん断破壊に至り、金属ブロック７はバネ力により押されて移動し、金属棒状体４から抜け落ち、金属棒状体４と金属ブロック７間の電気接続が切れ、表示器１０が消灯して、機器が熱劣化寿命になったことを表示し警報する。
【００１４】
次に、この熱劣化診断装置１を、熱劣化の温度−寿命時間特性がわかっている機器の一つであるアルミ電解コンデンサーの最高温度部分に取り付けて、その熱劣化寿命を検出して表示する方法を説明する。
【００１５】
共晶半田は、直ちには破壊しない程度の一定のせん断応力のもとで、少しずつ伸び、やがて破断（破壊）に至る、いわゆるクリープ現象が室温近辺でも発生する。図３に、共晶半田で半田付けした部分の、せん断応力に対するクリープ強度を示す。縦軸は、半田付け部のせん断応力、横軸は破断時間である。各温度下（１４０℃、７０℃、２０℃）でのせん断応力−破壊時間特性を示す。図に示すように、両対数グラフにおいて直線性を示し、せん断応力が低くなるほど破断するまでの時間が長くなり、同じ応力では温度が高くなるほど短い時間で破断する。
【００１６】
図４は、コンデンサー（８５℃、３０００時間保証品）の寿命特性図である。
縦軸は寿命時間、横軸は使用温度である。図に示すように片対数グラフで直線性を示し、温度が高くなるほど短い寿命時間となる。
【００１７】
コンデンサーの設計使用温度を７０℃とすると、図４の矢印で示すように、その寿命時間は９０００時間になる。この寿命時期を熱劣化診断装置１を用いて検出する方法について以下に述べる。
【００１８】
図３に実線の矢印で示すように、７０℃、９０００時間で半田付け部分が破断するせん断応力は０．２８Ｎ／ｍｍ２になる。即ち、熱劣化診断装置１の半田固着面積とバネ力の関係をせん断応力が０．２８Ｎ／ｍｍ２となるように設定し、コンデンサーの近傍に設置しておけば、コンデンサーが設計寿命時間稼動した時、半田固着面がクリープせん断破壊し、金属ブロック７はバネ力により押されて移動し、金属棒状体４から抜け落ち、金属棒状体４と金属ブロック７間の電気接続が切れ、表示器１０が消灯して、コンデンサーが熱劣化寿命になったことを表示する。
【００１９】
また、コンデンサーが寿命時間の半分を稼動したことを警報するには、図３に破線の矢印で示すよう７０℃、４５００時間で半田固着面が破断するせん断応力である０．３５Ｎ／ｍｍ２となるように半田固着面積とバネ力の関係を設定すればよい。
【００２０】
次に、コンデンサーの使用温度が設計値７０℃からはずれた場合について、以下に説明する。共晶半田で半田付けした部分のクリープ破壊時間は、図３に示すように、同じせん断応力では温度が高くなるほど短くなる。これは、図４に示すコンデンサーの寿命特性と同じ特性であり、共晶半田のクリープ破壊特性を利用した機器の熱劣化診断装置１は、使用温度が設計値からはずれても、定性的にコンデンサーの熱劣化寿命を反映する。
【００２１】
この点についての定量的な検討方法を以下に説明する。図５は、図３に示す共晶半田の半田付け部のクリープ破壊特性を統計処理した線図である。縦軸はせん断応力、横軸は温度（図中Ｔ）と破壊時間（図中ｔ）の対数関数値でありＣは定数である。比較的直線的な傾向を示し、７０℃、９０００時間は、図中右下の丸印の点になる。横軸は先に説明したように温度と破壊時間の関数であるので、丸印の点での任意の温度に対する破壊時間を計算することができる。即ち、クリープ破壊特性における７０℃、９０００時間に相当する他の温度下の破壊時間を計算することができる。
【００２２】
この計算結果を、図４のコンデンサーの寿命特性に重ね書きしたのが図６であり、両特性は比較的良く一致していることがわかる。このことから、熱劣化診断装置１は、コンデンサーが設計温度の７０℃ではなく他の温度で使用された場合でも、その寿命到達を正確に検出し表示・警報することができる。
【００２３】
上述のような検討をすることにより、熱劣化寿命時期を知りたい機器の寿命特性と低融点合金のクリープ破壊特性とを定量的に比較することができ、この検討結果から、設計使用温度の他に実際に使用されるであろう温度での機器の熱劣化寿命を熱劣化診断装置１が検出できるか否か判断できる。
【００２４】
なお、実施の形態１では、低融点合金として共晶半田を用いたが、他の成分の半田あるいは合金も用いることができる。
【００２５】
実施の形態２．
図７及び８を用いて、この発明の実施の形態２を説明する。図７はこの発明の実施の形態２の機器の熱劣化診断装置を示す縦断面図、図８は熱劣化を表示する状態を示す縦断面図である。これらの図において、図１及び２に示すものと同一または同等のものは同一の符号を付して説明を省略する。
【００２６】
図において、金属棒状体２４は実施の形態１の金属棒状体４に比べ長くされ、その先端には、絶縁スペーサ１３で金属棒状体２４とは絶縁された円環状の導電ストッパ１２が固着されている。実施の形態１の絶縁板５、５は装着されていない。導電ストッパ１２に接続されたリード線９と、金属ブロック７に接続されたリード線９ａとがケース２の外に引き出され、電源１１及び表示器１０に直列に接続されている。金属棒状体２４、コイルバネ６、金属ブロック７、共晶半田８、導電ストッパ１２、リード線９、９ａ、電源１１及び表示器１０が検出表示手段２０ａを構成している。
【００２７】
次に、上記のように構成された熱劣化診断装置２１の動作を説明する。金属ブロック７は、コイルバネ６により常に所定のバネ力で押圧されているので、金属棒状体２４と共晶半田８の固着面には、常に所定のせん断応力が発生している。
機器と同じ熱環境に置かれ、所定温度の熱負荷を受けていると、共晶半田８はせん断応力により徐々にクリープ変形を起こし、図８に示すように、所定期間（時間）経過後には、せん断破壊に至り、金属ブロック７はバネ力により押されて金属棒状体４上を移動して導電ストッパ１２に当接し、金属ブロック７と導電ストッパ１２が電気接続され、表示器１０が点灯して機器が熱劣化状態になったことを表示・警報する。金属ブロック７の移動を検出する手段としては、別途独立したセンサーまたはリミットスイッチをケース２内に設置してもよい。
【００２８】
【発明の効果】
この発明の機器の熱劣化診断装置は、金属棒状体が挿通される所定の長さの孔が設けられた金属ブロックと、孔に金属棒状体が挿通された状態で、孔に溶融状態で流し込まれて金属棒状体と孔とに所定の固着面積で固着したクリープ破壊特性を有する低融点合金と、金属棒状体と低融点合金の固着面に所定のせん断応力を発生させるように金属ブロックを押圧する弾性体とを備えているので、対象とする機器を選ばず、正確に機器の熱劣化を診断することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１の機器の熱劣化診断装置を示す縦断面図である。
【図２】熱劣化を表示する状態を示す縦断面図である。
【図３】共晶半田のクリープ破壊特性を示す図である。
【図４】アルミ電解コンデンサーの寿命特性を示す図である。
【図５】共晶半田のクリープ破壊マスター曲線を示す図である。
【図６】コンデンサー寿命特性線と共晶半田クリープ破壊特性線を重ね書きした線図である。
【図７】この発明の実施の形態２の機器の熱劣化診断装置を示す縦断面図である。
【図８】熱劣化を表示する状態を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１，２１  熱劣化診断装置、２  ケース、３  支持ブロック、４，２４  金属棒状体、５  絶縁板、６  コイルバネ、７  金属ブロック、８  共晶半田、８ａ孔、９，９ａ  リード線、１０  表示器、１０ａ，２０ａ  検出表示手段、１１  電源、１２  導電ストッパ、１３  絶縁スペーサ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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