JP4244791B2

JP4244791B2 - コンデンサの良否判定方法および良否判定装置

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Publication number: JP4244791B2
Application number: JP2003397183A
Authority: JP
Inventors: 満北河
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2003-11-27
Filing date: 2003-11-27
Publication date: 2009-03-25
Anticipated expiration: 2023-11-27
Also published as: JP2005156428A

Description

本発明はコンデンサの良否判定方法および良否判定装置、特にコンデンサの良否を短時間で判定する方法および装置に関する。

一般に、コンデンサの良否を判定するため、測定用の直流電圧をコンデンサに印加し、十分に充電された後のコンデンサの漏れ電流（充電電流）を測定することにより、コンデンサの絶縁抵抗（ＩＲ）を測定する方法が知られている。当然ながら、良品は漏れ電流が少ない（絶縁抵抗が大きい）。

従来、この種の充電電流測定方法としては、ＪＩＳＣ５１０１で規定された測定方式が知られている。この方式は、コンデンサに十分に充電された状態の電流値を測定する必要があるため、長い測定時間が必要である。例えば、電子機器に広く使用されている積層セラミックコンデンサの充電時間は、６０±５秒を要する。特に、市場の拡大傾向にある大容量コンデンサでは、この充電時間が一層長くなる傾向にある。しかし、電子機器のコストダウン、信頼性向上の要求に伴い、コンデンサなどの電子部品もその生産能力向上と品質向上とが求められている。そのため、従来の測定方法では、測定時間の短縮が大きな課題となっていた。

そこで、コンデンサに電圧印加を開始した直後の短い時間内において、コンデンサの誘電分極成分の充電領域の電流値を測定し、その電流値を用いて充電終了時の電流値を予測し、その予測電流値を用いてコンデンサの良否を判定する方法が提案されている（特許文献１）。
この方法を用いれば、十分な充電状態に達する前の状態で最終的な充電結果を算出することができるので、前記従来の測定方法で必要な充電時間よりも短い時間で良否判定を行うことができるという利点がある。しかし、この方法は、高価な測定装置を必要とするとともに、予測計算式の多数のパラメータを求める必要があるため、必ずしも簡便な良否判定方法とは言えない。

特許文献２には、被測定コンデンサにＤＣ電圧およびＡＣ電圧を重畳印加してリップル電流を流し、その時のコンデンサの電気特性を測定することで、潜在的な不良品まで選別できる良否判別方法が開示されている。
しかし、この良否判別方法は、コンデンサの電気的特性を含むパラメータをできるだけ多く測定し、利用することにより、良否判定の精度と処理効率の向上を図るものである。そのため、コンデンサの絶縁抵抗（ＩＲ）そのものを測定するのであれば、従来と同様の長時間を必要とする。つまり、絶縁抵抗を基準にしてコンデンサの良否を短時間で判別するという目的を達成するものではない。
特許第３１７５６７４号公報特開２００３−１３０９０２号公報

そこで、本発明の目的は、短時間でかつ正確にコンデンサの良否を判定できるコンデンサの良否判定方法および良否判定装置を提供することにある。

前記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、被測定コンデンサと同種のコンデンサに対して、ＤＣ電圧およびＡＣ電圧を重畳印加したときのＡＣ信号によって測定される電気特性とＩＲ値との相関に基づき、良否選別基準となるＩＲ値に対応した電気特性を閾値として設定するステップと、被測定コンデンサに対してＤＣ電圧およびＡＣ電圧を重畳印加するステップと、前記ＤＣ電圧およびＡＣ電圧を重畳印加した状態で、ＡＣ信号によって被測定コンデンサの電気特性を測定するステップと、前記測定された電気特性を前記閾値と比較することによって、被測定コンデンサの良否を判定するステップと、を備えることを特徴とするコンデンサの良否判定方法を提供する。

請求項４に係る発明は、被測定コンデンサにＤＣ電圧を印加するためのＤＣ電源と、被測定コンデンサに前記ＤＣ電圧と重畳してＡＣ電圧を印加するためのＡＣ電源と、ＡＣ信号によって被測定コンデンサの電気特性を測定する特性測定手段と、被測定コンデンサと同種のコンデンサに対して、ＤＣ電圧およびＡＣ電圧を重畳印加したときのＡＣ信号によって測定される電気特性とＩＲ値との相関に基づき、良否選別基準となるＩＲ値に対応した電気特性を閾値として記憶する記憶手段と、前記閾値と前記特性測定手段により測定された被測定コンデンサの電気特性の実測値とを比較し、被測定コンデンサの良否を判定する良否判定手段と、を備えることを特徴とするコンデンサの良否判定装置を提供する。

コンデンサの特性測定の中には、ＡＣ信号を印加して測定するインピーダンス測定がある。本発明者は、このインピーダンス測定時にＤＣ電圧をバイアス印加すると、ＡＣ信号によって測定される電気特性、即ち直列抵抗、静電容量、誘電損失などの各値と、十分に充電された後の絶縁抵抗（ＩＲ）との間に相関関係があることを見いだした。例えばＩＲ値が小さくなると、直列抵抗の値は大きくなる。
そこで、被測定コンデンサと同種のコンデンサに対して、ＤＣ電圧およびＡＣ電圧を重畳印加したときのＡＣ信号によって測定される電気特性とＩＲ値との相関に基づき、良否選別基準となるＩＲ値に対応した電気特性の値を求めておき、この値を閾値として設定する。そして、被測定コンデンサにＤＣ電圧およびＡＣ電圧を重畳印加したときのＡＣ信号によって測定される前記電気特性の実測値と閾値とを比較することによって、被測定コンデンサのＩＲ値が良否選別基準となるＩＲ値に比べて大きいかどうかを推定することができる。
ＩＲ値の測定では、コンデンサ内部の誘電分極成分の時定数が大きいため、数秒〜数十秒という充電時間が必要であるが、直列抵抗Ｒｓ’の測定では、信号周波数にもよるが、数十ミリ秒〜数百ミリ秒程度の時間で測定を行うことができる。そのため、コンデンサの良否判定に要する時間を従来に比べて大幅に短縮できる。

閾値の設定方法としては、種々の方法が考えられる。例えば、異なるＩＲ値を持つ複数のコンデンサを準備し、これらコンデンサに対してＤＣ電圧およびＡＣ電圧を重畳印加したときのＡＣ信号による電気特性を実測し、その実測値を基準にして閾値を設定してもよいし、良否選別基準となるＩＲ値を予め決定し、このＩＲ値から相関する電気特性値を計算で求め、この計算値に対して所定のばらつきを危険率として考慮することで、閾値を設定してもよい。

次に、本発明の測定原理を式を用いて説明する。
図１の（ａ）はコンデンサの等価回路モデルであり、静電容量Ｃｓと直列抵抗Ｒｓとの直列回路に、絶縁抵抗ＩＲを並列接続したものである。
一方、図１の（ｂ）はインピーダンス測定器内で電気特性の測定および出力に当たって仮定されたコンデンサの回路モデルであり、容量Ｃｓ’と直列抵抗Ｒｓ’との直列回路で構成される。ここで、コンデンサのＩＲ値は十分大きいものとされ、等価回路の仮定に当たっては無視される。
しかしながら、実際には無視できないＩＲ値を有し、図１（ａ）に近いコンデンサの電気特性を、図１（ｂ）で仮定するインピーダンス測定器で測定すると、直列抵抗Ｒｓ’、容量Ｃｓ’、誘電損失ＤＦ’は次式で表すことができる。

但し、ω＝２πｆ（ｆ：ＡＣ信号の周波数）である。
Ｒｓ／ＩＲ≪１であるから、（１）式は次のように変形できる。

１≪ω² Ｃｓ² ＩＲ² のとき、（４）式は次式で近似できる。

すなわち、Ｒｓ’はＡＣ信号の周波数（ω）と、コンデンサの容量Ｃｓ、絶縁抵抗ＩＲ、および直列抵抗Ｒｓにより決まる。ただし、ＲｓはＩＲの良否には無関係である。容量Ｃｓは、ＤＣ電圧をバイアス印加すると、例えば１／１０〜１／２０程度に減少する。その結果、ＤＣ電圧をバイアス印加すると、（５）式の第１項が相対的に大きくなり、ＩＲ値の良否が顕在化してＲｓ’値に現れる。
ＤＣバイアス電圧を高くする方が、容量Ｃｓを低くできるので望ましいが、ＤＣ電圧を高くし過ぎると、コンデンサ自体を破壊する恐れが生じる。したがって、請求項３のように、バイアス印加されるＤＣ電圧と積層セラミックコンデンサの誘電体厚みとの比を電界強度Ｅ（Ｖ／μｍ）とすると、Ｅが１０≦Ｅ≦８０の範囲内にあるようにＤＣバイアス電圧を設定することが好ましい。その際、ＤＣバイアス電圧は誘電体厚みに応じて適宜設定される。
（５）式から明らかなように、ＡＣ信号の周波数ｆ（ω）を小さくすれば、それだけ（５）式の第１項が相対的に大きくなるので、ＩＲ値の良否をＲｓ’値に反映させることができる。実験によると、周波数ｆが１０ｋＨｚ以上では、Ｒｓ’値とＩＲ値との相関関係が悪化するのに対し、１ｋＨｚ以下であれば、良好な相関関係が得られた。したがって、ＡＣ信号の周波数ｆを１ｋＨｚ以下にすれば、ＩＲ値の良否をＲｓ’値で判定できる。

請求項２のように、ＤＣ電圧およびＡＣ電圧を重畳印加した状態で、ＡＣ信号によって測定されるコンデンサの電気特性としては、直列抵抗Ｒｓ’のほかに、誘電損失ＤＦ’や容量Ｃｓ’でもよい。
ＤＦ’は前記（１）〜（３）式により、次式で表すことができる。
ＤＦ’＝ωＣｓ’Ｒｓ’ …（６）
この場合も、Ｒｓ’はコンデンサの良否によって大きく変化するので、ＤＦ’によってコンデンサの良否を判定することが可能である。
なお、容量Ｃｓ’の場合は、ＩＲ値との相関関係があまり高くないので、ＩＲの良否が幾分正確に反映し難いという懸念を有するものの、有効である。

請求項１に係る発明によれば、ＤＣ電圧とＡＣ電圧とを重畳印加した状態で、ＡＣ信号により測定される電気特性によってコンデンサの良否を判定するようにしたので、従来のＩＲ測定では数秒〜数十秒という長時間を必要としていたのに対し、数十ミリ秒〜数百ミリ秒程度の短時間で測定を行うことができ、コンデンサの良否判定の大幅な時間短縮を実現できる。
また、ＤＣ電圧とＡＣ電圧を重畳印加し、ＡＣ信号による電気特性を測定するだけであるから、既存のインピーダンス測定用機器を使用すればよく、コスト上昇を抑制できる。

以下に、本発明の実施の形態を、実施例を参照して説明する。

図２は本発明にかかる良否判定装置の一例の回路図である。
この良否判定装置は、ＡＣ電源１とトランス２の入力側コイル２ａとで構成される交流回路ＣＩＲ１と、ＤＣ電源３とトランス２の出力側コイル２ｂと被測定コンデンサＤＵＴと直流阻止用コンデンサ４と交流検出用電流計５とで構成される直流回路ＣＩＲ２とで構成されている。被測定コンデンサＤＵＴの両端には、直流阻止用コンデンサ６，７を介して交流検出用電圧計８が接続されている。

交流検出用電流計５および交流検出用電圧計８は良否選別装置９に接続されている。良否選別装置９には、良否判定基準となる閾値を記憶するメモリ９ａと、前記閾値と電流計５および電圧計８により測定された被測定コンデンサＤＵＴの実測値から所定の電気特性（Ｒｓ’，Ｃｓ’，ＤＦ’など）を計算し、この電気特性と閾値とを比較し、被測定コンデンサＤＵＴの良否を判定する良否判定手段９ｂとが設けられている。

前記のように被測定コンデンサＤＵＴには、ＤＣ電源３からＤＣ電圧と、ＡＣ電源１からトランス２を介してＡＣ電圧が重畳して印加される。つまり、ＤＣ電圧をバイアス印加した状態で、ＡＣ信号によって被測定コンデンサＤＵＴの電気特性を測定する。
前記回路により検出した電圧Ｖと電流Ｉとにより、被測定コンデンサＤＵＴのインピーダンスＺを以下の式で計算する。

上式よりＲｓ’，Ｃｓ’を計算により導出でき、ＤＦ’も（６）式から求めることができる。

図３は、本発明にかかるコンデンサの良否判定方法の一例を示すフローチャートである。以下、このフローに則り、良否判定方法について説明する。
まず、ＩＲ値が既知で、被測定コンデンサと同種のコンデンサを複数個準備し、これらコンデンサにＤＣ電圧とＡＣ電圧を重畳印加した状態で（ステップＳ１）、ＡＣ信号によってコンデンサの電気特性（Ｒｓ’，Ｃｓ’，ＤＦ’など）を測定する（ステップＳ２）。この測定した電気特性とＩＲ値との相関に基づき、良否選別基準となるＩＲ値に対応した電気特性を閾値を設定し（ステップＳ３）、この閾値をメモリに記憶する（ステップＳ４）。
次に、被測定コンデンサＤＵＴについて、上記コンデンサと同様に、ＤＣ電圧とＡＣ電圧を重畳印加し（ステップＳ５）、ＡＣ信号によって被測定コンデンサＤＵＴの電気特性（Ｒｓ’，Ｃｓ’，ＤＦ’など）を測定する（ステップＳ６）。この測定した電気特性をメモリに記憶されている閾値と比較し（ステップＳ７）、良否を判別する（ステップＳ８）。以後、新たな被測定コンデンサＤＵＴについてステップＳ５〜Ｓ８の操作を繰り返す。

次に、本発明における良否判定方法の効果を確かめるため、下記３種類の試料Ａ〜Ｃについて、充電状態の絶縁抵抗ＩＲと、ＤＣバイアス電圧（４０Ｖ）を印加しＡＣ電源の信号周波数を変化させたときの直列抵抗Ｒｓ’との相関係数（Ｒ² 値）を図４に示す。
Ａ：Ｂ特性１０ｎＦ
Ｂ：Ｂ特性１００ｎＦ
Ｃ：Ｂ特性１μＦ
ここで、Ｂ特性とは容量温度特性コードであり、−２５〜８５℃の温度範囲で容量変化率が±１０％以内をいう。

図４から明らかなように、Ａ〜Ｃの試料（１μＦ以下のコンデンサ）では、信号周波数が１００Ｈｚ〜１ｋＨｚで相関係数が０．７以上あり、高い相関関係があることがわかる。したがって、１μＦ以下のコンデンサに１００Ｈｚ〜１ｋＨｚの周波数のＡＣ信号を印加した場合に、直列抵抗Ｒｓ’と絶縁抵抗ＩＲとの相関関係が高いことがわかる。
なお、１００Ｈｚ以下であっても高い相関関係があると考えられ、この周波数領域での選別を行った場合も有効ではあるが、周波数が低くなると測定時間が長くなり、短時間でかつ正確にコンデンサの良否を判定するためには、１００Ｈｚ〜１ｋＨｚでの選別が望ましい。

図５は、試料Ｃ（１μＦのコンデンサ）を用いて、充電状態におけるＩＲ値と、ＡＣ電源の信号周波数を一定（１ｋＨｚ）にしＤＣバイアス電圧を変化させたときの直列抵抗Ｒｓ’，静電容量Ｃｓ’，誘電損失ＤＦ’を累乗近似した値との相関係数（Ｒ² 値）を求めたものである。
図から明らかなように、Ｒｓ’およびＤＦ’においてはＤＣバイアス電圧を２０Ｖ以上とすれば、相関係数が０．８以上となり、高い相関関係があることがわかる。一方、Ｃｓ’については、ＤＣバイアス電圧を高くすればそれだけ相関係数が高くなるが、４０Ｖでも相関係数が０．６以下であり、Ｒｓ’およびＤＦ’に比べると低い相関関係しか得られない。その理由は、ＤＣバイアス電圧によって静電容量が低くなるためである。

図６は、試料Ｃ（１μＦのコンデンサ）を用いて、充電状態におけるＩＲ値と、ＤＣバイアス電圧を印加した状態でのＡＣ信号によるＲｓ’値との関係をプロットしたものである。なお、ＤＣバイアス電圧を４０Ｖ、ＡＣ電源の信号周波数を１ｋＨｚとし、試料数は２９個とした。
試料Ｃの場合、ＩＲ値の選別閾値は１ＧΩであり、１ＧΩより大きなＩＲ値を持つコンデンサは良品と呼ぶことができる。これをＲｓ’値で選別する場合には、例えば閾値を４０Ωに設定することで、ＩＲ不良品をＤＣバイアス印加時のＲｓ’値で選別できる。

図７は、試料Ｃ（１μＦのコンデンサ）を用いて、充電状態におけるＩＲ値と、ＤＣバイアス電圧を印加した状態でのＡＣ信号によるＤＦ’値との関係をプロットしたものである。なお、この場合もＤＣバイアス電圧を４０Ｖ、ＡＣ電源の信号周波数を１ｋＨｚとし、試料数は２９個とした。
試料Ｃでは、ＩＲ値の選別閾値は前記のように１ＧΩであるが、ＤＦ’値の選別閾値を０．０２５と設定することで、ＩＲ不良品をＤＣバイアス印加時のＤＦ’値で選別できる。

図８は、試料Ｃ（１μＦのコンデンサ）を用いて、充電状態におけるＩＲ値と、ＤＣバイアス電圧を印加した状態でのＡＣ信号によるＣｓ’値との関係をプロットしたものである。なお、この場合も図６，図７と同様にＤＣバイアス電圧を４０Ｖ、ＡＣ電源の信号周波数を１ｋＨｚとし、試料数は２９個とした。
図８から明らかなように、試料Ｃの場合、Ｃｓ’の選別閾値を４８ｎＦに設定することで、選別できる。なお、Ｃｓ’の場合、ＩＲ不良品もＣｓ’＝４８ｎＦ付近に存在するため、他の特性であるＲｓ’やＤＦ’を用いた選別に比べて、幾分選別精度が劣るという懸念を有する。

図６〜図８では、Ｒｓ’、ＤＦ’およびＣｓ’の閾値を実測データから求めたが、前述の（４）式または（５）式からＲｓ’の閾値を計算で求めてもよいし、（６）式からＤＦ’の閾値を計算で求めてもよい。

図２では、本発明にかかる良否判別方法を実施するための測定回路の一例を示したが、これに限定されるものではない。
例えば、特許文献２の図１〜図３に示される回路を用いてＤＣバイアス印加時におけるＡＣ信号による電気特性を測定してもよい。

絶縁抵抗を考慮したコンデンサの等価回路図、および測定器が出力するコンデンサの等価回路図である。本発明にかかる良否判別方法を実施するための測定装置の一例の回路図である。本発明にかかる良否判別方法の一例のフローチャート図である。複数種類の試料について、絶縁抵抗ＩＲと直列抵抗Ｒｓ’との相関係数と、ＡＣ信号周波数との関係を示す図である。１μＦのコンデンサについて、絶縁抵抗ＩＲと静電容量Ｃｓ’、直列抵抗Ｒｓ’、誘電損失ＤＦ’との相関係数と、ＤＣバイアス電圧との関係を示す図である。１μＦのコンデンサについて、ＩＲ値とＲｓ’値との関係をプロットした図である。１μＦのコンデンサについて、ＩＲ値とＤＦ’値との関係をプロットした図である。１μＦのコンデンサについて、ＩＲ値とＣｓ’値との関係をプロットした図である。

符号の説明

１ＡＣ電源
２トランス
３ＤＣ電源
５交流検出用電流計
８交流検出用電圧計
９良否選別装置
ＤＵＴ被測定コンデンサ

Claims

被測定コンデンサと同種のコンデンサに対して、ＤＣ電圧およびＡＣ電圧を重畳印加したときのＡＣ信号によって測定される電気特性とＩＲ値との相関に基づき、良否選別基準となるＩＲ値に対応した電気特性を閾値として設定するステップと、
被測定コンデンサに対してＤＣ電圧およびＡＣ電圧を重畳印加するステップと、
前記ＤＣ電圧およびＡＣ電圧を重畳印加した状態で、ＡＣ信号によって被測定コンデンサの電気特性を測定するステップと、
前記測定された電気特性を前記閾値と比較することによって、被測定コンデンサの良否を判定するステップと、を備え、
前記電気特性は、コンデンサの直列抵抗、誘電損失、容量の少なくとも１つであることを特徴とするコンデンサの良否判定方法。
印加されるＤＣ電圧と前記コンデンサの誘電体厚みとの比を電界強度Ｅとすると、電界強度Ｅが１０≦Ｅ≦８０（Ｖ／μｍ）の範囲内となるようにＤＣ電圧が設定されていることを特徴とする請求項１に記載のコンデンサの良否判定方法。
被測定コンデンサにＤＣ電圧を印加するためのＤＣ電源と、
被測定コンデンサに前記ＤＣ電圧と重畳してＡＣ電圧を印加するためのＡＣ電源と、
ＡＣ信号によって被測定コンデンサの電気特性を測定する特性測定手段と、
被測定コンデンサと同種のコンデンサに対して、ＤＣ電圧およびＡＣ電圧を重畳印加したときのＡＣ信号によって測定される電気特性とＩＲ値との相関に基づき、良否選別基準となるＩＲ値に対応した電気特性を閾値として記憶する記憶手段と、
前記閾値と前記特性測定手段により測定された被測定コンデンサの電気特性の実測値とを比較し、被測定コンデンサの良否を判定する良否判定手段と、を備え、
前記電気特性は、コンデンサの直列抵抗、誘電損失、容量の少なくとも１つであることを特徴とするコンデンサの良否判定装置。
印加されるＤＣ電圧と前記コンデンサの誘電体厚みとの比を電界強度Ｅとすると、電界強度Ｅが１０≦Ｅ≦８０（Ｖ／μｍ）の範囲内となるようにＤＣ電圧が設定されていることを特徴とする請求項３に記載のコンデンサの良否判定装置。