JP2016205818A - コンデンサの容量検出装置及び劣化診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コンデンサの初期容量値に対する容量値の変化からコンデンサの劣化状態を高精度に診断する容量検出装置及び劣化診断装置を提供する。【解決手段】コンデンサ１０の高電位側の電圧が入力されるシュミットトリガ回路２１と、その出力を積分する積分回路２２と、その出力と参照電圧とを比較するコンパレータ２３と、所定のデューティー比のパルスを出力する発振器２５と、コンパレータ２３の出力をリセット入力として発振器２５の出力をセット入力とするＲＳフリップフロップ２６と、その出力と発振器２５の出力とが入力されるＯＲゲート２７と、その出力側とコンデンサ１０の高電位側との間に接続される抵抗２８と、を備え、ＯＲゲート２７の出力電圧の振幅をシュミットトリガ回路２１の高電位側閾値より僅かに小さくすることにより、ＯＲゲート２７からコンデンサ１０の容量値に比例する幅のパルスを出力させる。【選択図】図１

Description

本発明は、コンデンサの容量を検出する容量検出装置、及び、コンデンサの初期容量値に基づいてその後の劣化状態を診断する劣化診断装置に関するものである。

図５は、特許文献１に記載されたコンデンサ劣化診断装置における、アルミ電解コンデンサの実装状態を示す図面であり、図５（ａ）は側面図、図５（ｂ）は底面図である。
これらの図において、１００は回路基板、２００は劣化診断対象であるアルミ電解コンデンサ、１０１，１０２はコンデンサ用導体パターン、１０３は熱伝導用導体パターン、１０４は温度センサ用導体パターン、３００は温度センサである。

また、図６は、図５の主要部の接続状態を示す回路図であり、アルミ電解コンデンサ２００の両端に温度センサ３００と分圧用抵抗器３０１とを直列に接続し、温度センサ３００と分圧用抵抗器３０１との接続点から出力電圧を得ている。

ここで、温度センサ３００は、例えば温度の上昇に対して抵抗値が減少するＮＴＣ（Negative Temperature Coefficient）サーミスタによって構成されている。この温度センサ３００により、熱伝導用導体パターン１０３を介してアルミ電解コンデンサ２００の温度を推定し、その温度に応じた出力電圧を劣化判定手段（図示せず）に送ってアルミ電解コンデンサ２００の劣化状態を判定している。
温度センサ３００としては、サーミスタに限らず、ダイオードやトランジスタのように顕著な温度特性を有する電子部品など、温度を測定可能な素子であれば任意の素子を用いることができる。

アルミ電解コンデンサ２００は、劣化によって内部抵抗が上昇するため、リプル電流による内部発熱が増加する。これにより、熱伝導用導体パターン１０３を介して温度センサ３００の温度が上昇するので、その抵抗値が減少して図６の出力電圧が上昇する。従って、出力電圧が予め設定した電圧を超えた場合に、アルミ電解コンデンサ２００が劣化したことを判定している。

一方、特許文献２には、値が未知である抵抗を介してコンデンサを充電または放電し、コンデンサの電圧が所定値に達するまでの時間に基づいて前記抵抗の抵抗値を測定するようにしたディジタル抵抗計が記載されている。
更に、特許文献３には、環境温度測定用のサーミスタと、抵抗及びコンデンサからなる時定数回路とを備え、コンデンサの充電（または放電）回路に前記サーミスタが含まれるように回路を構成すると共に、コンデンサを充電（または放電）した時にその電圧が所定値に達するまでの時間を求めて環境温度を測定するようにした熱検出方法及び熱検出回路が記載されている。

特開２０１４−２１１４０８号公報（段落[００１５]〜[００３１]、図３〜図６等） 実公昭４８−５５１号公報（第１頁左欄第３６行〜第２頁右欄第８行、第１図等） 特開平３−３３６２６号公報（第４頁左上欄第１行〜第５頁左上欄第７行、第１図，第２図等）

特許文献１に記載された従来技術では、劣化によるアルミ電解コンデンサの内部抵抗の上昇を、温度の上昇に置き換えて検出している。すなわち、この従来技術では、温度をパラメータとしているため、アルミ電解コンデンサの内部抵抗の検出精度にバラつきが生じ、劣化状態を高精度に診断することができないという問題があった。
また、コンデンサにおける最重要パラメータは、その容量値であるが、特許文献１では容量値を推定することができず、容量値の変化から劣化状態を診断することもできない。更に、アルミ電解コンデンサが劣化する前の初期状態における容量値のばらつきを考慮していないため、コンデンサの個体ごとに検出精度がばらつくおそれもある。

また、特許文献２または３に記載された従来技術は、コンデンサを含む時定数回路の充電時間または放電時間に基づいて未知抵抗値や環境温度を測定するものであり、コンデンサの容量検出や劣化診断を目的とするものではない。

そこで、本発明の解決課題は、コンデンサの容量を検出する容量検出装置を提供し、更に、個体ごとのばらつきが大きい初期容量値に対する僅かな変化からコンデンサの劣化状態を高精度に診断可能とした劣化診断装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係るコンデンサの容量検出装置は、容量値の検出対象であるコンデンサの高電位側の電圧が入力される第１のシュミットトリガ回路と、
前記第１のシュミットトリガ回路の出力を積分する第１の積分回路と、
前記第１の積分回路の出力と第１の参照電圧とを比較する第１のコンパレータと、
所定のデューティー比のパルスを出力する発振器と、
前記第１のコンパレータの出力をリセット入力とし、前記発振器の出力をセット入力とするセットリセットフリップフロップと、
前記セットリセットフリップフロップの出力と前記発振器の出力とが入力されるＯＲゲートと、
前記ＯＲゲートの出力側と前記コンデンサの高電位側との間に接続される第１の抵抗と、
を備え、
前記ＯＲゲートの出力電圧の振幅を前記第１のシュミットトリガ回路の高電位側閾値より僅かに小さくすることにより、前記ＯＲゲートから前記コンデンサの容量値に比例する幅のパルスを出力させるものである。

請求項２に係るコンデンサの劣化診断装置は、請求項１記載の前記容量検出装置を用いて前記ＯＲゲートの出力電圧から検出したコンデンサの初期容量値を基準として、前記コンデンサの劣化状態を診断する劣化診断装置において、
前記初期容量値に応じたパルス幅を有する前記ＯＲゲートの出力電圧が一端に加えられ、他端が前記コンデンサの高電位側との間に接続される第２の抵抗と、
前記コンデンサの高電位側の電圧が入力される第２のシュミットトリガ回路と、
前記第２のシュミットトリガ回路の出力を積分する第２の積分回路と、
前記第２の積分回路の出力と第２の参照電圧とを比較する第２のコンパレータと、を備え、
前記コンデンサの容量値が減少したときの前記第２のコンパレータの出力により、前記コンデンサの劣化を判定するものである。

請求項３に係る劣化診断装置は、請求項２に記載したコンデンサの劣化診断装置において、前記第２の参照電圧を前記第１の参照電圧よりも高くしたものである。

請求項４に係る劣化診断装置は、請求項２に記載したコンデンサの劣化診断装置において、前記第２の積分回路の時定数を前記第１の積分回路の時定数よりも大きくしたものである。

本発明によれば、従来よりも高精度であって、個体ごとの容量値のばらつきに影響されないコンデンサの容量検出装置及び劣化診断装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係るコンデンサの容量検出装置を示す構成図である。 本発明の実施形態に係るコンデンサの劣化診断装置を示す構成図である。 図１に示した容量検出装置の実施形態の動作波形図である。 確率共鳴現象の工学的な利用についての説明図である。 特許文献１に記載された従来技術を示す側面図（図５（ａ））及び底面図（図５（ｂ））である。 図５における主要部の接続状態を示す回路図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、例えば電子回路にノイズが混入すると、電子回路が想定する処理を誤る場合があることは一般的な常識と考えられている。しかし、自然界において、生物は、むしろノイズを利用して自身に降りかかる問題を処理している。その重要なメカニズムの１つとして確率共鳴現象という現象が確認されている。確率共鳴現象とは、ノイズを付与した双安定系においては、むしろ応答が向上・最適化される場合があるという現象である。このような現象を工業に応用した従来技術として、例えば、国際公開２００１−６５５００号公報に記載された「信号再生装置」が挙げられる。

図４は、確率共鳴の工学的な利用について説明する図である。電子回路における双安定系として、図４（ａ）に示すシュミットトリガ回路２１を利用する。
シュミットトリガ回路は、高電位側及び低電位側の二つの閾値を有し、入力信号が高電位側閾値を超えた時にＨｉｇｈレベルの信号を出力し、入力信号が低電位側閾値を下回った時にＬｏｗレベルの信号を出力すると共に、入力信号が両閾値の間にある時は直前の出力信号の論理を保持するものであり、入力電位の変化に対して出力状態がヒステリシスをもって変化する、一種のメモリとしての機能を持つ。

シュミットトリガ回路２１は、図４（ｂ）の左側に示すように、高電位側閾値を下回る電圧レベルの微弱信号が入力されても、Ｈｉｇｈレベルの信号を出力することはないが、図４（ｂ）の右側に示すように、微弱信号に適切な強度のノイズが重畳された信号をシュミットトリガ回路２１に入力すると、確率的に高電位側閾値を上回る入力信号により、Ｈｉｇｈレベルの信号を出力する確率が高くなる。ここで、ノイズ強度が大き過ぎると出力信号にノイズ成分が多く含まれることになるが、ノイズ強度が適度な大きさであれば、微弱信号の周期に相関性を有するＨｉｇｈレベルの出力信号を得ることができる。このような現象が確率共鳴現象と呼ばれている。
本発明は、上述した確率共鳴現象を利用することにより、コンデンサの容量検出及び劣化診断を高精度に行うものである。

図１は、本発明の実施形態に係るコンデンサの容量検出装置を示す構成図であり、請求項１に係る発明に相当する。
図１において、１０は容量値の検出対象であるコンデンサ、例えばアルミ電解コンデンサである。このコンデンサ１０の正極は、コンデンサ１０と共にＲＣフィルタを構成する第１の抵抗２８の一端と、第１のシュミットトリガ回路２１の入力側とに接続されている。

シュミットトリガ回路２１の出力側には第１の積分回路２２が接続され、その出力端子は第１のコンパレータ２３の非反転入力端子に接続されている。コンパレータ２３の反転入力端子には、第１の参照電圧源２４から第１の参照電圧が入力されている。
コンパレータ２３の出力端子は、セットリセットフリップフロップ（ＲＳフリップフロップ）２６のリセット入力端子に接続され、ＲＳフリップフロップ２６のセット入力端子には、発振器２５からデューティー比の小さい周期的なパルス信号が入力されている。
ＲＳフリップフロップ２６の出力信号は、発振器２５の出力パルスと共にＯＲゲート２７に入力され、その出力端子は前記抵抗２８の他端に接続されている。

この実施形態は、コンデンサ１０の容量値に比例してＯＲゲート２７の出力パルス幅が大きくなることに基づいてコンデンサ１０の容量値を検出するものであり、図３に基づいてその動作を詳述する。
図３において、（ａ）はコンパレータ２３の出力、（ｂ）は積分回路２２の出力、（ｃ）はシュミットトリガ回路２１の出力、（ｄ）はノイズが重畳されたシュミットトリガ回路２１の入力、（ｅ）はＯＲゲート２７の出力、（ｆ）は発振器２５の出力である。

まず、デューティー比の小さい発振器２５のＨｉｇｈレベルの出力パルスがトリガとなり、ＲＳフリップフロップ２６の出力がＨｉｇｈレベルに固定され、ＯＲゲート２７を介して抵抗２８及びコンデンサ１０からなるＲＣフィルタに入力される。
ここで、図３（ｄ）に示すように，ＯＲゲート２７の出力電圧の振幅は、シュミットトリガ回路２１の高電位側閾値より僅かに小さく設定しておく。このため、シュミットトリガ回路２１はＨｉｇｈレベルの電圧を出力しないはずであるが、前述した確率共鳴現象の考え方に基づき、入力信号に適度な強度のノイズが重畳していると、シュミットトリガ回路２１は、図３（ｃ）に示すように確率的に所定の時間密度を持つパルスを出力する。
なお、図３（ｄ）に模式的に表した上記のノイズは、ＯＲゲート２７の出力電圧により抵抗２８を介して充放電するコンデンサ１０の電圧に重畳されたノイズである。

シュミットトリガ回路２１から、図３（ｃ）のパルスが積分回路２２に入力されてパルスの時間密度が高まると、図３（ｂ）に示す積分回路２２の出力が第１の参照電圧を超えるようになり、その結果、図３（ａ）に示すようにコンパレータ２３からＨｉｇｈレベルの信号が出力される。
コンパレータ２３の出力がＨｉｇｈレベルになると、ＲＳフリップフロップ２６のリセット入力もＨｉｇｈレベルになるため、その出力はＬレベルとなる。図３（ｆ）に示すように、発振器２５は小さいデューティー比で動作しているため、発振器２５の出力パルスは、短期間のＨｉｇｈレベルを経てＬｏｗレベルとなり、図３（ｅ）に示すＯＲゲート２７の出力もＬｏｗレベルとなる。
発振器２５の出力が次の周期に入ると、上述した動作が再び繰り返される。

ＯＲゲート２７の出力パルス幅は、コンデンサ１０と抵抗２８とによって決まる時定数が大きければ長くなり、時定数が小さければ短くなる。このため、抵抗２８の抵抗値を一意に決めれば、ＯＲゲート２７の出力パルス幅はコンデンサ１０の容量値に比例した値となる。
よって、ＯＲゲート２７の出力パルス幅に基づいてコンデンサ１０の容量値を検出することができ、コンデンサ１０を各種の装置や回路に実装する前の初期状態における容量値（初期容量値）を測定して記録することが可能となる。

次に、図２は、本発明の実施形態に係るコンデンサの劣化診断装置を示す構成図であり、請求項２に係る発明に相当する。
図２において、３１は入力端子、２８Ａは第２の抵抗、１０は劣化状態の診断対象であるコンデンサ、２１Ａは第２のシュミットトリガ回路、２２Ａは第２の積分回路、２３Ａは第２のコンパレータ、２４Ａは参照電圧源、３２は出力端子を示している。

次いで、この実施形態の動作を説明する。
入力端子３１から、図１の容量検出装置により検出したコンデンサ１０の初期容量値、すなわち劣化前のコンデンサ１０の容量値に比例した幅のパルス（図１のＯＲゲート２７の出力パルス）を、抵抗２８Ａを介してシュミットトリガ回路２１Ａに入力する。ここで、図２におけるコンデンサ１０は、図１の容量検出装置により初期容量値を予め測定済みのコンデンサである。

コンデンサ１０が劣化してその容量値が初期状態よりも僅かに小さくなっていると、シュミットトリガ回路２１Ａの入力パルスの振幅の最大値が僅かに増加するため、シュミットトリガ回路２１Ａの出力に現れるパルス密度が増加し、積分回路２２Ａの出力電圧の最大値も増加する。

ここで、本実施形態では、請求項３に記載するように、参照電圧源２４Ａによる第２の参照電圧を、図１に示した参照電圧源２４の第１の参照電圧よりも僅かに高く設定することにより、コンパレータ２３ＡがＨｉｇｈレベルの信号を出力しにくくする。コンデンサ１０の劣化が進み、積分回路２２Ａの出力電圧が第２の参照電圧を超えると、コンパレータ２３Ａの出力、すなわち劣化診断装置の出力はＨｉｇｈレベルとなり、コンデンサ１０の劣化を判定した信号として出力端子３２から出力される。

なお、参照電圧源２４Ａによる第２の参照電圧の設定値に応じて、コンデンサ１０の劣化判定基準を任意に調整する（厳しく、または緩く設定する）ことができる。
更に、請求項４に記載するように、図２における積分回路２２Ａの時定数を図１の積分回路２２の時定数より大きく設定することによっても、コンデンサ１０の劣化判定基準を任意に調整することが可能である。

以上説明したように、この実施形態によれば、図１の容量検出装置を用いて予め検出したコンデンサ１０の初期容量値を基準として、図２の劣化診断装置を用いて現在のコンデンサ１０の容量値の減少を検出し、容量値の個体ごとのばらつきに左右されずに、コンデンサの劣化状態を高精度に診断することが可能になる。

本発明は、アルミ電解コンデンサだけでなく、各種のコンデンサの容量検出及び劣化診断に利用することができる。

１０：コンデンサ
２１，２１Ａ：シュミットトリガ回路
２２，２２Ａ：積分回路
２３，２３Ａ：コンパレータ
２４，２４Ａ：参照電圧源
２５：発振器
２６：セットリセット（ＲＳ）フリップフロップ
２７：ＯＲゲート
３１：入力端子
３２：出力端子

Claims (4)

1. 容量値の検出対象であるコンデンサの高電位側の電圧が入力される第１のシュミットトリガ回路と、
   前記第１のシュミットトリガ回路の出力を積分する第１の積分回路と、
   前記第１の積分回路の出力と第１の参照電圧とを比較する第１のコンパレータと、
   所定のデューティー比のパルスを出力する発振器と、
   前記第１のコンパレータの出力をリセット入力とし、前記発振器の出力をセット入力とするセットリセットフリップフロップと、
   前記セットリセットフリップフロップの出力と前記発振器の出力とが入力されるＯＲゲートと、
   前記ＯＲゲートの出力側と前記コンデンサの高電位側との間に接続される第１の抵抗と、
   を備え、
   前記ＯＲゲートの出力電圧の振幅を前記第１のシュミットトリガ回路の高電位側閾値より僅かに小さくすることにより、前記ＯＲゲートから前記コンデンサの容量値に比例する幅のパルスを出力させることを特徴とするコンデンサの容量検出装置。
2. 請求項１記載の前記容量検出装置を用いて前記ＯＲゲートの出力電圧から検出したコンデンサの初期容量値を基準として、前記コンデンサの劣化状態を診断する劣化診断装置において、
   前記初期容量値に応じたパルス幅を有する前記ＯＲゲートの出力電圧が一端に加えられ、他端が前記コンデンサの高電位側との間に接続される第２の抵抗と、
   前記コンデンサの高電位側の電圧が入力される第２のシュミットトリガ回路と、
   前記第２のシュミットトリガ回路の出力を積分する第２の積分回路と、
   前記第２の積分回路の出力と第２の参照電圧とを比較する第２のコンパレータと、を備え、
   前記コンデンサの容量値が減少したときの前記第２のコンパレータの出力により、前記コンデンサの劣化を判定することを特徴とするコンデンサの劣化診断装置。
3. 請求項２に記載したコンデンサの劣化診断装置において、
   前記第２の参照電圧を前記第１の参照電圧よりも高くしたことを特徴とするコンデンサの劣化診断装置。
4. 請求項２に記載したコンデンサの劣化診断装置において、
   前記第２の積分回路の時定数を前記第１の積分回路の時定数よりも大きくしたことを特徴とするコンデンサの劣化診断装置。

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