プリント基板（PCB）の振動測定

アプリケーションレポート

プリント回路基板全体に機械的応力がどのように分布し、どの部品が影響を受けるのか。レーザードップラー振動計測は空間的な答えを提供します。本レポートでは、プリント回路基板（PCB）に対する3つの計測アプローチを紹介します。

面全体の面外計測から3D振動解析および3Dシングルポイント計測まで。

表面に対して垂直な全面計測（面外）

スキャニング・バイブロメータはボード全体をカバーし、部品レベルでの振動ホットスポットを明らかにします。

全面3次元計測（X/Y/Z、面内＋面外）

3台の同期したバイブロメータが、面内運動・傾斜運動・熱膨張を同時に捉えます。

固定点での3次元計測（シングルポイント、X/Y/Z、面内＋面外）

規定点での3D計測に対応するコンパクトな光ファイバーセンサヘッド。シェーカー試験に最適です。

課題の背景

自動車・航空宇宙・産業機器向けのプリント基板は、動作中に振動や衝撃にさらされます。 発生する応力は均一に分布するのではなく、最大たわみ点、大型部品の近傍、基板とコネクタの接続部などの局所的なホットスポットに集中します。

従来のセンサ
個別の加速度センサは、ごく少数の離散点における振動応答しか捉えられず、試験体に質量を付加するため、応力分布の空間的な全体像は得られません。

重要な問い

破損はどこで発生するか？
基板上のどの領域が最も高い負荷にさらされており、どの部品が影響を受けるか？
何を変更すべきか？
計測結果は、実装・はんだ接合部・部品配置のどこを修正すべきかを明示します。
このアセンブリは長期的な負荷に耐えられるか？
たとえばエンジンルーム内の回路基板は、車両の全寿命期間—約30万km以上—にわたって常時負荷のかかる状態で確実に動作しなければなりません。アセンブリが量産に入る前に、弱点を特定して解決する必要があります。

全面面外計測 – スキャニング・バイブロメータ
3D振動解析 – SMART 3D-Scan
3Dシングルポイント計測 – SMART 3D-Fiber
計測タスクに応じたシステムの選び方

試験体

プリント基板（PCB）

計測システム

Optomet レーザースキャニング・バイブロメータ

ソフトウェア

SMART Lab

解析

全視野ODS（動作変形形状）、部品レベルでの動作たわみ形状

この計測の目的は、 車載用プリント基板の全面面外振動挙動 を制御励振下で可視化することです。単一の計測点ではなく、基板面全体をスキャンすることで、表面に対して垂直方向の振動振幅が最大となる箇所—基板レベルおよび部品レベル—を特定します。得られた動作変形形状（ODS）は、どの領域・部品が最も高い動的負荷にさらされているかを明らかにします。

計測セットアップ

プリント基板は電動式シェーカーに取り付けられます。スキャニング・バイブロメータは、試験体の上方に設置したポータブルのアルミプロファイルフレームに固定され、基板面を真上から照射します。この構成により、面外振動計測に最適な計測角度が得られます。

Measurement setup: Optomet scanning vibrometer on a portable gantry frame, positioned vertically above the printed circuit board on an electrodynamic shaker. The compact all-in-one design requires no external DAQ hardware.

Optomet スキャニング・バイブロメータは、バイブロメータ・データ収集・信号発生器・カメラを1台に統合しています。この計測において追加の外部ハードウェアは不要です。シェーカーの励振信号は、内蔵の信号発生器から直接出力されます。

SMART Lab で計測点を定義する

SMART Lab ソフトウェアは、内蔵カメラを通じて試験体のライブ映像を表示します。計測エリアとスキャングリッドは、このカメラ画像上で直接定義します。エリア選択・メッシュジェネレータ・部品ごとの割り当て機能により、基板全体を覆うおおまかなグリッドから個々の部品上の高密度グリッドまで、計測点を正確に配置できます。

PCB in the SMART Lab geometry view. Measurement areas and mesh points are placed interactively on the live camera image.

Defined scan grid on the printed circuit board. The mesh density can be adjusted locally – denser grids where higher spatial resolution is needed.

いずれの画像も、プリント基板の部品面をわずかに異なる視点から撮影したものです。左の画像では計測エリアと境界ツールの定義中の状態が、右の画像では完成した計測点グリッドが表示されています。SMART Lab は複数レイヤーをサポートしており、基板全体のおおまかなグリッドと個別部品上の高密度グリッドなど、異なる計測エリアを1つのプロジェクト内で管理できます。

計測パラメータの設定

バイブロメータの設定は収集モジュールで行います。この PCB 計測では、上限周波数を100 kHzに設定しており、基板の基本共振（通常5 kHz以下）から高次の部品モードまでを捉えるのに十分な帯域を確保しています。1,300万以上のFFT ラインと6.4 mHz の周波数分解能により、近接したモードも明確に分離されます。

Measurement settings in SMART Lab: 100 kHz maximum frequency, 216 kS/s sampling rate, 10 averages per point. Autofocus and vibration measurement are enabled for the scan.

Portrait of Tobias Schröder, Head of Sales & Marketing at Optomet

「軽量部品を搭載したプリント基板では、非接触計測が信頼性の高いデータ取得の前提条件です。付加質量1グラムでも結果に影響します。」

Tobias Schröder（機械工学修士）
セールス＆マーケティング部長

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自動スキャン

グリッドと設定が定義されると、バイブロメータはあらかじめ設定されたすべての計測点を自動的にスキャンします。レーザーは点から点へと移動しながら、必要に応じてフォーカスを調整し、振動信号を記録して次の位置へ進みます。スキャン中に手動操作は不要です。

Automatic scan in action: the laser works through the predefined measurement point grid autonomously. The green laser spot is visible on the board surface.

計測は完全非接触で行われます。基板上にセンサも配線も追加質量もありません。結果はアセンブリの実際の振動挙動を忠実に反映します。

可視化と解析

スキャン完了後、 SMART Lab は解析タブでさまざまな表示モードを提供します。振動データは、カメラ画像上に重ねたカラーコード点群、補間カラーマップ、または変形アニメーション付きのワイヤーフレームモデルとして表示できます。減衰情報も可視化に組み込むことができます。

Point-based visualization: color-coded vibration amplitudes overlaid on the camera image. Different board areas and individual components are clearly distinguishable.

Interpolated color map: a clearly visible mode shape with several maxima (yellow/red) and nodal areas (blue).

カラーマップ表示により、基板全体のモード形状が即座に把握できます。この例では、複数の顕著な振幅最大値が基板上に分布した高次モード形状が確認されます。これらの最大値が部品位置に対してどこに現れるかは、信頼性評価に直接関係します。振動最大値の近傍にある部品は、最も高い動的負荷にさらされています。

計測で明らかになること： 補間ODS可視化により、特定の周波数において基板の角部および大型コネクタ周辺の領域で最大の振動振幅が生じることが示されます。これらのゾーンにあるコンデンサや ICパッケージは機械的応力が増大しており、設計変更の際に配置の見直しや固定強化の候補となります。

コンポーネント詳細分析とビデオエクスポート

ボード全体表示に加え、SMART Lab では個々のコンポーネントにズームインして、局所的な変形形状を表示できます。統合されたビデオ録画機能により、アニメーション化された振動データの4Kビデオを生成します。ボード表面上を仮想カメラが移動するトラッキングショットも含まれており、プレゼンテーションやレポートに最適です。

Component detail view with video export: each capacitor shows its individual vibration pattern. The tracking shot function produces smooth camera movements across the board for 4K video recordings.

詳細ビューでは、各コンポーネントが励振にどのように応答するかを確認できます。このクローズアップでは、電解コンデンサがそれぞれ異なる振動パターンを示しています。横方向に傾くものもあれば、垂直方向に変位するものもあります。このレベルの詳細は、スキャニングバイブロメータの空間分解能によってのみ可能であり、従来の加速度計測定では見えないままです。

1Dから3Dへ：見えないものとは

これまでの測定では、ボード表面に対して垂直な速度成分を取得しています。多くのPCB分析では、これで十分です。曲げモードが支配的で、最大変位は面外方向に発生します。しかし、ステップ6でのコンデンサの詳細ビューは、純粋な面外測定では完全に捉えられないものをすでに示唆しています。一部のコンポーネントは垂直だけでなく横方向にも傾いているのです。

プリント回路基板には、面内運動が決定的な役割を果たすいくつかの状況があります：

コネクタと背の高いコンポーネント – 横方向に移動し、ボード平面内のはんだ接合部に曲げ応力を発生させる
ボードのねじれ – ねじれにより、表面に対する垂直方向だけでなく、XおよびY方向にも大きな運動成分が生じる
複雑な取り付け条件 – ボルト締め筐体や圧入接続は、3つの空間方向すべてにわたってボードに力を与える
熱膨張 – ボード、はんだ接合部、コンポーネント間の熱膨張係数の違いにより、ボード平面内に局所的な変形が生じる

これらすべての場合において、純粋な面外測定では不完全な情報しか得られません。以下のセクションでは、同じプリント回路基板において3D測定でさらに何が明らかになるかを示します。

シミュレーションではなく実際の測定データ – このビジュアライゼーションは、SMART 3D-Scanで取得したプリント回路基板の実際の3D振動測定を示しています。測定データは直接 3Dモデル 上に投影できるため、どのコンポーネントやエリアが影響を受けているかがすぐに分かります。

試験体

車載用プリント回路基板

測定システム

SMART 3D-Scan（3 × SMART Scan+）

測定量

測定点ごとのX、Y、Z方向の速度

可視化

3Dモデルマッピング、カメラオーバーレイ、アニメーション変形形状

同期した3台のSMART Scan+バイブロメータが異なる角度から同時に測定します。

3つの速度成分から、ソフトウェアは各測定点でのX、Y、Zの完全な運動を算出します。SMART Labでの測定ワークフローは、1Dの場合と基本的に同じです。3Dモデルまたはカメラ画像上で測定点を定義し、自動スキャンを行い、結果を可視化します。重要な違いはワークフローではなく、結果が何を明らかにするかにあります。

面外のみではなく3Dを選ぶ理由

3D測定は、純粋な面外分析では見えない運動成分を明らかにします。特に、コネクタヘッダーの横方向の動き、背の高い電解コンデンサの傾き挙動、トランジスタのロッキング運動は、3Dデータセットで初めて完全に捉えられます。そして、それに対応するはんだ接合部の実際の応力も同様です。

振動分析に加え、同じ SMART 3D-Scanバイブロメータは プリント回路基板とそのコンポーネントの熱膨張 も計測できます。FR4基板、銅箔配線、はんだ接合部、パッケージ材料間の熱膨張係数の違いにより、温度変化時に疲労損傷につながる局所的な変形が生じます。

温度サイクル試験（TCT） および熱機械的信頼性の評価において、熱膨張の3D測定は、ひずみゲージでは離散的な数点でしか得られなかった空間的な証拠を、非接触かつ表面全体にわたって提供します。

試験体

電動加振機上のECU（電子制御ユニット）

測定システム

SMART 3D-Fiber（3Dシングルポイントバイブロメータ）

すべてのPCB分析に全面スキャングリッドが必要なわけではありません。電子制御ユニット（ECU）のシェーカー試験、個別アセンブリの適格性評価、または量産試験における定義された測定点の監視では、シングル測定点で十分です。ただし、3つの空間方向すべてを捉える必要があります。

SMART 3D-Fiberはまさにそれを実現します。3本のレーザービームが同じ表面点に集束し、完全な3D振動運動を捉えます。コンパクトな光ファイバーセンサーヘッドは、筐体内のプリント回路基板上での直接測定など、狭い設置環境に特に適しています。

X、Y、Z速度成分は、デジタルおよびアナログ出力で直接利用可能です。SMART 3D-FiberはSMART Labを通じても、外部DAQシステムを通じて直接操作することも可能です。既存の試験台への統合に専用ソフトウェアは必要ありません。

応用例 – ECUシェーカー試験： 電子制御ユニットの振動分析において、3Dシングルポイント測定は定義された測定点での完全な振動を捉えます。従来の1D加速度計では見えない面内成分も含みます。定義されたポイントを長期間または変動条件下で監視する必要があるユーザーにとって、SMART 3D-Fiberは全面3Dスキャンに代わるコンパクトな選択肢です。

本レポートで紹介した3つの測定アプローチはすべて、Optometレーザードップラーバイブロメトリとスマートラボソフトウェアを使用しています。システムの選択は、必要な情報によって異なります：