JP2006284294A - 電解コンデンサの劣化診断装置および劣化診断方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 基板上に組込まれた状態の電解コンデンサについて、その劣化状態を容易に判定できる劣化診断装置および劣化診断方法を提供する。
【解決手段】 透過画像取得部８は、基板２０に対して一方からＸ線を照射し、基板２０を介して対向する他方において、透過したＸ線に応じた透過画像を取得する。画像処理部２は、ＣＣＤ部１６から電気信号を受けて、基板２０の透過画像を生成し、透過画像の中から画像の濃淡の程度に応じてＸ線が透過した領域（透過領域）と透過しなかった領域（不透過領域）とに２値化する。演算部４は、２値化された透過画像に基づいて、診断対象の電解コンデンサにおいて電解液が存在する領域を設定し、その設定した領域に含まれる不透過領域の面積、すなわち電解液の残存量を算出する。そして、演算部４は、電解液の残存量が所定の基準値以上であるか否かに応じて、劣化状態を判定する。
【選択図】 図１

Description

この発明は電解コンデンサの劣化診断装置および劣化診断方法に関し、特に基板上に組込まれた状態の電解コンデンサについての劣化診断装置および劣化診断方法に関するものである。

電子機器には、多数のコンデンサが使用される。コンデンサには、その構造や誘電体の種類に応じて、電解コンデンサ、マイラーコンデンサ、フィルムコンデンサおよび電気二重層コンデンサなどに分類される。その中でも、電解コンデンサは、静電容量が比較的大きく、直流回路の電源フィルタおよび交流回路のカップリングやフィルタなどに用いられる。

電解コンデンサでは、電極であるアルミニウムの表面に形成された酸化被膜が誘電体として機能する。そして、アルミニウム電極表面には、その表面積が増大するように、微細な凹凸加工がなされる。

一方、微細な凹凸加工がなされたアルミニウム電極は、互いに密着させることが困難であるので、電解液を含む紙をアルミニウム電極間に挿入し、密着性を向上させている。

しかしながら、電解コンデンサ内における電解液の封入は完全でなく、電解液は徐々に蒸発する。電解液の蒸発に伴い、アルミニウム電極の密着が不十分となり、その結果、電解コンデンサの静電容量は減少する。このような現象は、「容量抜け」と称される。特に、電解コンデンサが使用される温度環境によっては、電解液が通常より多く蒸発し、急速に静電容量が減少する場合がある。

電解コンデンサの容量抜けにより、リップル成分の増大などが生じ、電子機器の動作特性が変化する。最悪の場合には、電子機器が停止する場合もある。そのため、従来から、電解コンデンサの劣化状態を定期的に診断し、電子機器の故障の発生を抑制したいというニーズがあった。

そこで、たとえば特許文献１には、静電容量、ｔａｎδ（誘電正接）、漏れ電流およびインピーダンスなどの電解コンデンサの電気的特性を測定し、その測定値の経時変化に基づいて劣化状態を判定する、電解コンデンサ劣化診断装置が開示されている。
特開２００２−２６７７０８号公報

ところで、一般的に、電子機器に用いられる電解コンデンサは、基板上に組込まれ、抵抗やトランジスタなどを含む電気回路を構成する。そして、基板上に組込まれた電解コンデンサは、ハンダなどにより固定される。

そのため、上述のような劣化診断装置を用いて劣化状態を判定するためには、基板上から電解コンデンサを取り外して、電気的特性を測定する必要がある。また、電気的特性の測定後には、当該コンデンサを基板上に再度組込む必要があり、その組込まれた基板の動作についても確認する必要が生じる。さらに、各々の基板上に多数の電解コンデンサが組込まれている場合も多い。

すなわち、電解コンデンサの劣化状態を判定するためには、基板からの取り外し、基板への組込みおよび基板の動作確認などの付帯作業が必要となり、基板上のすべての電解コンデンサについて劣化診断を行うことは、時間的およびコスト的に不可能であった。

そこで、この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、基板上に組込まれた状態の電解コンデンサについて、その劣化状態を容易に判定できる劣化診断装置および劣化診断方法を提供することである。

この発明によれば、電解液により透過が妨げられる電磁波を電解コンデンサに照射し、電解コンデンサの透過画像を取得する透過画像取得部と、透過画像取得部において取得された透過画像の中から電磁波の不透過領域を抽出する画像処理部と、画像処理部において抽出された不透過領域の面積に基づいて電解液の残存量を算出する演算部とを備える電解コンデンサの劣化診断装置である。

好ましくは、演算部は、算出した電解液の残存量を所定の基準値と比較して電解コンデンサの劣化状態を判定する判定手段を含む。

好ましくは、判定手段は、未使用の電解コンデンサにおける電解液の残存量を所定の基準値とする。

好ましくは、演算部は、電解コンデンサにおける電解液の残存量と使用期間とに基づいて、電解コンデンサの寿命を推定する寿命推定手段をさらに含む。

好ましくは、電磁波は、軟Ｘ線である。

また、この発明によれば、電解液により透過が妨げられる電磁波を電解コンデンサに照射し、電解コンデンサの透過画像を取得する透過画像取得ステップと、透過画像取得ステップにおいて取得された透過画像の中から電磁波の不透過領域を抽出する画像処理ステップと、画像処理ステップにおいて抽出された不透過領域の面積に基づいて電解液の残存量を算出する演算ステップとからなる電解コンデンサの劣化診断方法である。

好ましくは、演算ステップは、算出した電解液の残存量を所定の基準値と比較して電解コンデンサの劣化状態を判定する判定ステップを含む。

好ましくは、判定ステップは、未使用の電解コンデンサにおける電解液の残存量を所定の基準値とする。

好ましくは、演算ステップは、電解コンデンサにおける電解液の残存量と使用期間とに基づいて、電解コンデンサの寿命を推定する寿命推定ステップをさらに含む。

好ましくは、電磁波は、軟Ｘ線である。

この発明によれば、電解液により透過が妨げられる電磁波を電解コンデンサに照射し、その透過画像の不透過領域に基づいて電解液の残存量を推定することにより劣化状態を判定する。そのため、電解コンデンサの状態にかかわらず、電磁波を照射し、その透過画像を取得すれば十分であるので、基板上に組込まれた状態の電解コンデンサについて、その劣化状態を容易に判定できる。

この発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明は繰返さない。

図１は、この発明の実施の形態に従う劣化診断装置１の概略構成図である。

図１を参照して、劣化診断装置１は、基板２０上に組込まれた電解コンデンサの劣化状態を判定する。そして、劣化診断装置１は、透過画像取得部８と、画像処理部２と、演算部４と、表示部６と、入力部７とからなる。

透過画像取得部８は、基板２０に対して一方からＸ線を照射し、基板２０を介して対向する他方において、透過したＸ線に応じた透過画像を取得する。そして、透過画像取得部８は、高電圧発生部１０と、Ｘ線管１２と、ベリリウム窓１４と、ＣＣＤ（Charge Coupled Devices）部１６とからなる。

高電圧発生部１０は、Ｘ線管１２において放電が生じるように高電圧の直流電流を発生し、Ｘ線管１２へ与える。この発明の実施の形態においては、一例として、高電圧発生部１０は、１０〜５０ｋＶの電圧を発生する。

Ｘ線管１２は、高電圧発生部１０から受けた直流電流をターゲットに向けて放電し、ターゲットによる電子線の制動放射によりＸ線を生じさせる。そして、Ｘ線管１２で発生されたＸ線は、基板２０に向けて照射される。

ベリリウム窓１４は、Ｘ線管１２から照射されたＸ線のうち、基板２０を透過したＸ線を可視光に変換し、ＣＣＤ部１６へ出力する。

ＣＣＤ部１６は、ベリリウム窓１４を介して受けた透過Ｘ線に応じた可視光を受け、基板２０の透過画像を電気信号に変換して画像処理部２へ出力する。

画像処理部２は、ＣＣＤ部１６から電気信号を受けて、基板２０の透過画像を生成する。そして、画像処理部２は、その生成した透過画像をメッシュに区切り、メッシュの各々を濃淡の程度に応じて２値化する。すなわち、画像処理部２は、透過画像の中から画像の濃淡の程度に応じてＸ線が透過した領域（透過領域）と透過しなかった領域（不透過領域）とに区別する。さらに、画像処理部２は、その２値化した透過画像を演算部４へ出力する。

演算部４は、画像処理部２から受けた２値化された透過画像に基づいて、診断対象の電解コンデンサにおいて電解液が存在する領域を設定し、その設定した領域に含まれる不透過領域の面積を算出する。そして、演算部４は、算出した不透過領域の面積に基づいて、診断対象の電解コンデンサにおける電解液の残存量を算出する。さらに、演算部４は、その算出した電解液の残存量が所定の基準値以上であるか否かに応じて、その電解コンデンサの劣化状態を判定する。また、演算部４は、その判定結果を表示部６へ出力する。

表示部６は、演算部４から受けた判定結果をユーザに対して表示する。

入力部７は、ユーザからの入力値や指令を受付ける。

この発明の実施の形態においては、Ｘ線管１２は、電解液に吸収されやすい軟Ｘ線を発生する。軟Ｘ線は、Ｘ線の中でも比較的波長が長く、０．１ｎｍ〜１０ｎｍ程度の波長をもつ。また、軟Ｘ線は、アクリル樹脂などにも吸収されやすいので、鉛に代えてアクリルなどを遮へい材として用いることができるため、透過画像取得部８の構成が簡素化されるという効果もある。

（透過画像および画像処理）
図２は、透過画像取得部８において取得された電解コンデンサの透過画像の一例を示す。

図２（ａ）は、未使用の電解コンデンサである。

図２（ｂ）は、所定の期間使用した電解コンデンサである。

図２（ａ）および図２（ｂ）を参照して、Ｘ線管１２が放射する軟Ｘ線は、電解コンデンサ内の電解液に吸収されるので、透過が妨げられる。そのため、ＣＣＤ部１６が取得する透過画像において、電解液に相当する部分は黒色となって表れる。

図２（ａ）と図２（ｂ）とを比較すると、若干の濃淡の差はあるものの、明確な差を見出すことは難しい。そこで、透過画像を濃淡の程度に応じて、透過領域および不透過領域のいずれか区別（２値化）し、不透過領域を電解液の残存量とみなす。

図３は、図２に示す透過画像を２値化処理した後の透過画像である。

図３（ａ）は、図２（ａ）に示す未使用の電解コンデンサである。

図３（ｂ）は、図２（ｂ）に示す所定の期間使用した電解コンデンサである。

図３（ａ）および図３（ｂ）を参照して、画像処理部２は、透過画像を所定のドットまたはピクセル単位のメッシュに区切り、メッシュの各々をその濃淡の程度に応じて、「白色」（透過領域）または「黒色」（不透過領域）、すなわち「０」または「１」に変換する。すると、２値化された透過画像において、電解液、リード線および外装などのＸ線の透過が妨げられる部位については黒色、それ以外のＸ線の透過が妨げられない部位については白色として表れる。

図３（ｂ）は、図３（ａ）に比較して、黒色の領域の面積が減少していることがわかる。すなわち、図３（ｂ）における電解コンデンサの電解液が減少していることを示す。

演算部４は、２値化処理した透過画像のうち電解液の部位に相当する電解液領域を抽出する。そして、演算部４は、抽出した電解液領域に含まれる不透過領域の面積を算出し、その算出した不透過領域の面積、すなわち電解液の残存量と所定の基準値とを比較する。さらに、演算部４は、電解液の残存量が所定の基準値以上であるか否かに基づいて、その電解コンデンサが「正常」または「劣化」のいずれであるかを判定する。

なお、複数の基準値を設定し、電解液の残存量が属する基準値の範囲に応じて判定をしてもよい。たとえば、第１および第２の基準値を設定し、電解液の残存量が第１の基準値以上であれば「正常」と判定し、第２の基準値以上でかつ第１の基準値未満であれば「注意」と判定し、第２の基準値未満であれば「劣化」と判定するような構成としてもよい。

（劣化状態の判定処理フロー）
図４は、電解コンデンサの劣化状態を判定する処理を示すフローチャートである。

図４を参照して、演算部４は、透過画像取得部８に診断対象の電解コンデンサの透過画像を取得させる（ステップＳ１００）。演算部４は、画像処理部２に透過画像取得部８が取得した透過画像を２値化処理させる（ステップＳ１０２）。演算部４は、画像処理部２から２値化された透過画像を受け、電解液領域を抽出する（ステップＳ１０４）。そして、演算部４は、抽出した電解液領域に含まれる不透過領域の面積を算出する（ステップＳ１０６）。さらに、演算部４は、算出した不透過領域の面積が基準値以上か否かを判断する（ステップＳ１０８）。

算出した不透過領域の面積が基準値以上の場合（ステップＳ１０８においてＹＥＳの場合）には、演算部４は、診断対象の電解コンデンサを『正常』と判断し（ステップＳ１１０）、処理を終了する。

算出した不透過領域の面積が基準値以上でない場合（ステップＳ１０８においてＮＯの場合）には、演算部４は、診断対象の電解コンデンサを『劣化』と判断し（ステップＳ１１２）、処理を終了する。

以上の処理により、演算部４は、診断対象の電解コンデンサの劣化状態を判定する。

（寿命推定）
電解コンデンサの電解液は、経年的に減少すると考えられる。そのため、同一構造の電解コンデンサにおいては、所定の速度で電解液が減少すると予想できる。

演算部４は、同一構造の電解コンデンサについて、算出した電解液の残存量と使用期間とに基づいて、その寿命を推定する。すなわち、演算部４は、同一構造の電解コンデンサについて、電解液の残存量と使用期間との関係から電解液の減少速度を算出し、さらに、その算出した減少速度に基づいて、電解液の残存量が所定の基準値以下となる時期を寿命と推定する。

電解コンデンサの寿命を推定することで、電解コンデンサが劣化してしまう前に交換できるため、電子機器の突発的な故障を防止できる。

図５は、電解コンデンサの寿命を推定する回帰分析を示す図である。

図５を参照して、同一構造の電解コンデンサについて、縦軸を電解液の残存率とし、横軸を使用期間とする。

ここで、電解液の残存率とは、未使用の状態にある同一構造の電解コンデンサにおける電解液の残存量を基準値とし、その基準値に対する各々の電解コンデンサにおける電解液の残存量の比率である。すなわち、未使用の状態においては、電解液の残存率は１００％となる。

そして、演算部４は、診断対象の電解コンデンサにおける電解液の残存率および使用期間のデータをプロットし、そのプロットしたデータに対して回帰分析を行い、回帰式を求める。この回帰式が、電解液の減少速度を示す関数となる。なお、回帰式としては、複次の多項式や対数式などを用いることができる。また、回帰式を求める（フィッテングする）方法には、たとえば、最小二乗法などを用いるとよい。

さらに、演算部４は、求めた回帰式と、電解液の残存率が所定の基準値以下の領域である「劣化域」との交点を求める。そして、演算部４は、その交点における使用期間を診断対象の電解コンデンサにおける製品寿命と推定する。さらに、演算部４は、推定した製品寿命から、診断対象の電解コンデンサの使用期間を差し引き、その時点における残存寿命を求める。

なお、産業プラントなどで同一の装置を複数台設置する場合には、１台づつ順次設置されることが多い。そのため、使用開始時期の異なる同一の装置が複数存在することになる。このような装置に含まれる電解コンデンサの寿命を推定する場合には、各々の装置に含まれる同一構造の電解コンデンサにおける電解液の残存率を算出し、各々の使用期間とともにプロットする。すると、使用期間の異なる複数のサンプルを取得できるので、当該装置に含まれる電解コンデンサの寿命を推定できる。

また、使用開始時期の異なる同一の装置が存在しない場合には、診断対象の電解コンデンサについて電解液の残存率を所定の期間（たとえば１年）毎に算出することで、当該電解コンデンサについて使用に伴う電解液の残存率の変化を取得できる。そのため、上述の方法と同様にして、当該電解コンデンサの寿命を推定できる。

（寿命推定処理フロー）
図６は、電解コンデンサの寿命を推定する処理を示すフローチャートである。

図６を参照して、演算部４は、電解コンデンサの使用期間および電解液の残存率を受付ける（ステップＳ２００）。ユーザは、予め取得している電解コンデンサの使用期間および電解液の残存率を入力部７から入力する。そして、演算部４は、入力された使用期間および電解液の残存率を用いて回帰分析を行う（ステップＳ２０２）。さらに、演算部４は、求めた回帰式と劣化域との交点を算出し、その交点における使用期間から製品寿命を推定する（ステップＳ２０４）。

演算部４は、診断対象の電解コンデンサの使用期間を受付ける（ステップＳ２０６）。ユーザは、予め取得している診断対象の電解コンデンサの使用期間を入力部７から入力する。そして、演算部４は、推定した製品寿命から入力された使用期間を差し引いて残存寿命を算出する（ステップＳ２０８）。

以上の処理により、演算部４は、診断対象の電解コンデンサの残存寿命を推定する。

なお、上述の説明では、電解コンデンサの透過画像を取得するため軟Ｘ線を照射する場合について例示したが、たとえば、中性子線などの電解液により透過を妨げられる電磁波を用いてもよい。

この発明の実施の形態によれば、電解液に吸収される軟Ｘ線を診断対象の電解コンデンサに照射し、その透過量に基づいて、電解液の残存量を推定する。そして、その推定した電解液の残存量から電解コンデンサの劣化状態を判定する。そのため、電解コンデンサの配置状態にかかわらず、劣化状態を判定できる。よって、基板に配置された状態で電解コンデンサの劣化診断を実現できる。

また、この発明の実施の形態によれば、未使用の電解コンデンサにおける電解液の残存量を基準値とした電解液の残存率と使用期間との回帰分析を用いて、診断対象の電解コンデンサの製品寿命を推定できる。よって、電解コンデンサの劣化による電子機器の突発的な機能停止を回避することができ、さらに、電解コンデンサの交換作業を計画的に行うことができるため保守作業を合理的に行うことができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明の実施の形態に従う劣化診断装置の概略構成図である。 透過画像取得部において取得された電解コンデンサの透過画像の一例を示す。 図２に示す透過画像を２値化処理した後の透過画像である。 電解コンデンサの良否を判断する処理を示すフローチャートである。 電解コンデンサの寿命を推定する回帰分析を示す図である。 電解コンデンサの寿命を推定する処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 劣化診断装置、２ 画像処理部、４ 演算部、６ 表示部、７ 入力部、８ 透過画像取得部、１０ 高電圧発生部、１２ Ｘ線管、１４ ベリリウム窓、１６ ＣＣＤ部、２０ 基板。

Claims (10)

1. 電解液により透過が妨げられる電磁波を電解コンデンサに照射し、前記電解コンデンサの透過画像を取得する透過画像取得部と、
   前記透過画像取得部において取得された前記透過画像の中から前記電磁波の不透過領域を抽出する画像処理部と、
   前記画像処理部において抽出された前記不透過領域の面積に基づいて前記電解液の残存量を算出する演算部とを備える、電解コンデンサの劣化診断装置。
2. 前記演算部は、算出した前記電解液の残存量を所定の基準値と比較して前記電解コンデンサの劣化状態を判定する判定手段を含む、請求項１に記載の電解コンデンサの劣化診断装置。
3. 前記判定手段は、未使用の前記電解コンデンサにおける前記電解液の残存量を前記所定の基準値とする、請求項２に記載の電解コンデンサの劣化診断装置。
4. 前記演算部は、前記電解コンデンサにおける前記電解液の残存量と使用期間とに基づいて、前記電解コンデンサの寿命を推定する寿命推定手段をさらに含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電解コンデンサの劣化診断装置。
5. 前記電磁波は、軟Ｘ線である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電解コンデンサの劣化診断装置。
6. 電解液により透過が妨げられる電磁波を電解コンデンサに照射し、前記電解コンデンサの透過画像を取得する透過画像取得ステップと、
   前記透過画像取得ステップにおいて取得された前記透過画像の中から前記電磁波の不透過領域を抽出する画像処理ステップと、
   前記画像処理ステップにおいて抽出された前記不透過領域の面積に基づいて前記電解液の残存量を算出する演算ステップとからなる、電解コンデンサの劣化診断方法。
7. 前記演算ステップは、算出した前記電解液の残存量を所定の基準値と比較して前記電解コンデンサの劣化状態を判定する判定ステップを含む、請求項６に記載の電解コンデンサの劣化診断方法。
8. 前記判定ステップは、未使用の前記電解コンデンサにおける前記電解液の残存量を前記所定の基準値とする、請求項７に記載の電解コンデンサの劣化診断方法。
9. 前記演算ステップは、前記電解コンデンサにおける前記電解液の残存量と使用期間とに基づいて、前記電解コンデンサの寿命を推定する寿命推定ステップをさらに含む、請求項６〜８のいずれか１項に記載の電解コンデンサの劣化診断方法。
10. 前記電磁波は、軟Ｘ線である、請求項６〜９のいずれか１項に記載の電解コンデンサの劣化診断方法。