JP6037464B2

JP6037464B2 - 電気機器の寿命を予測する装置及び方法

Info

Publication number: JP6037464B2
Application number: JP2014111792A
Authority: JP
Inventors: さつ夫清野; 英司大野; 昌宏上村
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2014-05-29
Filing date: 2014-05-29
Publication date: 2016-12-07
Anticipated expiration: 2034-05-29
Also published as: JP2015225050A; US9891259B2; US9891260B2; US20180100886A1; US20170097387A1; US20180113163A1; US20150346256A1; US10168377B2; US10209289B2

Description

本発明は、電気機器の寿命を予測する装置及び方法に関し、特に電気機器に取り付けられた熱履歴センサを用いて電気機器の寿命を予測する装置及び方法に関する。

例えば、柱上変圧器などのように、長期間連続使用する電気機器もしくは設備に関して、故障による事故を避けるためにその予知と保全を行なう必要がある。その故障及び事故として、例えば、電力供給網の電圧降下による停電、発火、生命に関わる誤動作などが懸念される。そのため、従来から対象となる電気機器を一律してその寿命以前に新規機器と交換することが行われている。しかし、その場合、電気機器としてまだ使えるものが多く、一律して交換してしまうことは不経済である。

一方、長期間連続使用する電気機器の劣化、故障、あるいは寿命を推定して対象となる電気機器の交換時期を決めることも行われている。例えば、特許文献１では、柱上変圧器などの機器を個品管理するＲＦＩＤ等のデバイスと、機器の状態を管理するデータベースシステムと、地域毎の消耗度合い係数を演算する機能により、地域毎の配置機器の消耗度合いを演算記録し、機器定格、機器配置箇所、製造元保証期間や設置地域（位置）などの制約条件を考慮した上で、交換対象機器を検索するシステムを開示している。

また、特許文献２では、変圧器の故障の有無を判定する変圧器故障判定器として、交流電圧を出力する交流電圧印加手段と、交流電圧印加手段で変圧器に交流電圧を印加し、その時の励磁電流と交流電圧との位相差に基づいて変圧器の巻線間短絡の有無を判定する故障判定部と、故障判定部の判定結果を報知する判定報知部とを備える変圧器故障判定器を開示している。

特開2009-169483 特開2011-214963

しかし、特許文献１、２に記載の発明は、運転時に比較的高温になる電気機器における熱履歴を利用して電気機器の劣化や寿命を予測するものではない。
したがって、本発明の目的は、電気機器に取り付けられた熱履歴センサを用いて電気機器の寿命を予測する装置／方法を提供することである。

本発明の一態様では、電気機器の寿命を予測するための装置を提供する。その装置は、（ａ）電気機器の内部または外壁表面に取り付けられた少なくとも１つの熱履歴センサであって、複数の異種金属接合を含み、動作中の電気機器の内部または外壁の温度により異種金属接合において成長する金属間化合物の量に応じて、異種金属接合の抵抗値が変化するように構成された熱履歴センサと、（ｂ）熱履歴センサから複数の異種金属接合の抵抗値を定期的または不定期に継続してモニターしかつメモリに保管して、当該保管された抵抗値の履歴を利用して電気機器の寿命を予測する判断手段とを備える。

本発明の一態様によれば、動作中の電気機器の熱劣化を熱履歴センサの異種金属接合の抵抗値の履歴から把握し、電気機器の寿命を予測して、その保守あるいは交換の時期を効果的かつ合理的に決定することができる。

本発明の一態様では、判断手段は、抵抗値が所定のしきい抵抗値を越えた異種金属接合の割合が所定のしきい割合になるまでの時間を電気機器の寿命とする。

本発明の一態様によれば、抵抗値が所定のしきい抵抗値を越えた異種金属接合の割合（数）を求めるだけで電気機器の寿命を予測することができる。

本発明の一態様では、判断手段は、抵抗値の変化率が所定のしきい変化率を越える時の時間を電気機器の寿命とする。

本発明の一態様によれば、電気機器の急激な熱劣化に対応した適切な機器の寿命を予測することが可能となる。

本発明の一態様では、複数の異種金属接合は、基板上の複数の金属パッドと、当該金属パッド上にボンディングされた金属パッドの第１金属（例えば、アルミニウム）の拡散係数よりも小さい拡散係数を持つ第２金属（例えば、金）から成る金属ワイヤーを含むことができる。

本発明の一態様によれば、異種金属接合における金属の拡散、すなわちいわゆるカーケンダル効果（現象）を利用して金属間化合物の生成量を変化させ、その結果として、異種金属接合を含む金属配線の抵抗値を変化させることができる。

さらに、本発明の一態様によれば、金属ワイヤーボンディングという半導体製造の汎用的な技術を利用して電気機器内の熱履歴の取得をすることができる。また、電気機器内の動作状態、特に動作温度状態に柔軟に対応して電気機器内の熱履歴の取得をすることが可能となる。

本発明の一態様では、複数の金属パッドは異なる厚さの金属パッドを含む。

本発明の一態様によれば、熱履歴センサ２０が設置される電気機器の運転条件（機器内の温度、外気温度、運転期間等）に応じて、異種金属接合部の金属の拡散量及び金属間化合物の成長量を制御することが可能となる。

本発明の一態様では、判断手段は、複数の金属パッド上の金属ワイヤーが断線した割合が所定のしきい割合になるまでの時間を電気機器の寿命とする。

本発明の一態様によれば、金属ワイヤーの断線の割合（数）を求めるだけで電気機器の寿命を予測することができる。

本発明の一態様では、熱履歴センサは、抵抗値を出力するための複数の端子を備え、判断手段は、熱履歴センサの複数の端子から有線または無線により取得した抵抗値を前記メモリに格納する。

本発明の一態様によれば、電気機器の外部から電気機器内の熱履歴を把握することが可能となる。

本発明の一態様では、電気機器は電柱に設置された柱上変圧器であり、熱履歴センサは柱上変圧器の内部に設けられ、熱履歴センサの複数の端子は柱上変圧器の外壁まで引き出されている。

本発明の一態様によれば、柱上変圧器が取り付けられた電柱の下で柱上変圧器内の熱履歴を把握することが可能となる。

本発明の電気機器の寿命予測装置を含むシステムの構成例を示す図である。本発明の端末（判断手段）の構成例を示す図である。本発明の熱履歴センサの構成例を示す図である。本発明の熱履歴センサの構成例を示す図である。本発明の熱履歴センサが利用する抵抗と電気機器の運転時間との関係を例示する図である。本発明の寿命予測装置（方法）における電気機器の劣化予測を例示するための図である。

図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の電気機器の寿命予測装置を含むシステムの構成例を示す図である。システム１００は、Ａ〜Ｃの３つの電気機器１０と、破線で示される通信ネットワーク３５と、通信ネットワーク３５に接続可能な端末（ＰＣ、携帯電話、スマートフォン等）３０、３２、３４とを含む。電気機器１０は、動作中に内部で発熱する任意の電力（電気）で駆動する機器（電気機器、電子機器、半導体装置等）を含む。電気機器１０には、例えば、電柱に設置されたいわゆる柱上変圧器、風力発電機、人工衛星なども含まれる。

各端末３０、３２、３４は、通信ネットワーク３５を介して、データを管理する管理サーバ等へ取得したデータを送信することができるように構成されている。通信経路３５は、無線、有線のいずれによっても構成可能である。各端末は、本発明の判断手段として機能し、所定のソフトウェア（コンピュータ・プログラム）を実行することにより、電気機器の寿命を予測する。すなわち、各端末は、本発明の判断手段として、詳細は後述する熱履歴センサから複数の異種金属接合の抵抗値を定期的または不定期に継続してモニターしかつメモリに保管して、当該保管された抵抗値の履歴を利用して電気機器の寿命を予測する。

なお、判断手段としての機能の少なくとも一部を管理サーバで行うようにしてもよい。また、図１の電気機器及び端末の数及び種類はあくまで一例であってシステムあるいはネットワークの規模に応じて任意に選択及び設定することができる。

電気機器１０の各々には、熱履歴センサ２０が設置されている。熱履歴センサ２０は、電気機器１０の内部あるいは外壁の表面のいずれか一方、あるは双方に少なくとも１つ以上設置することができる。図１では、Ａの電気機器１０では、熱履歴センサ２０は電気機器１０の外壁の表面に設置されている。ＢとＣの電気機器１０では、熱履歴センサ２０は電気機器１０の内部に設置されている。Ｃの電気機器１０では、さらに、熱履歴センサ２０からの信号を取り出す、あるいは信号を送るための端子２５が電気機器１０の外壁の表面に設置されている。

各熱履歴センサ２０は、自ら信号を発して端末３０〜３４と相互に通信することができる。その通信は、ＲＦＩＤ技術を用いても行うこともできる。なお、Ｂの電気機器１０では、熱履歴センサ２０は、電気機器１０の内部からでも直接的に無線信号を介して端末３０〜３４と相互に通信することができるように構成されている。熱履歴センサ２０からのデータ（抵抗値）は、端末３０、３２、３４に送られる。

図２は、本発明の端末３０、３２、３４の構成例を示すブロック図である。端末は、バス330を介して相互に接続された演算処理装置（CPU）300、記憶手段310、及び各種I/F320を含む。演算処理装置（CPU）300は、後述するように、熱履歴センサ２０から取得され保管されたデータ（抵抗値）を用いて、電気機器の寿命を予測／推定する。

各種I/F320は、入力I/F、出力I/F、外部記憶I/F、外部通信I/F等を含む総称として用いられ、各I/Fが、それぞれ対応するタッチキー、タッチパネル、キーボード等の入力手段340、LCD等の表示手段350、無線あるいは有線の通信手段360、USB接続の半導体メモリやHDD等の外部記憶手段370等に接続する。記憶手段310は、RAM、ROM、Flash等の半導体メモリ、HDD等を含むことができる。記憶手段310は、熱履歴センサ２０から取得したデータ（抵抗値）を保管する。

図３は、本発明の熱履歴センサ２０の構成例を示す図である。（ａ）は熱履歴センサ２０の全体図であり、（ｂ）は熱履歴センサ２０の異種金属接合部Ｓの拡大断面図である。熱履歴センサ２０は、基板２００と、基板上に設置されたチップ２１０とを含む。基板２００は必要となる所定の回路あるいは配線が設けられたプリント基板等からなる。基板２００の表面には、端子部２０５が設けられている。チップ２１０は、必要となる所定の回路及び配線が設けられた半導体チップ等からなる。基板２００内あるいはチップ２１０内の所定の回路には、異種金属接合部Ｓを含む回路及び配線における抵抗値を検出及び出力するための回路（図示なし）が含まれる。これらの回路は、熱履歴センサ２０自らが保有するバッテリからの電力あるいは電気機器から供給される電力によって駆動する。

チップ２１０の表面には、複数の異種金属接合部Ｓが設けられている。図３（ａ）では、４つの異種金属接合部Ｓが設けられているが、これはあくまで例示であって、電気機器の仕様や運転期間等に応じて任意にその数を選択することができる。各異種金属接合部は、パッド部２１２と、パッド部２１２に接合された金属ワイヤー部２１６を含む。金属ワイヤー部２１６の一方の端部は、基板２００上の端子２０５に接続する。４つの異種金属接合部Ｓは、配線２１４によって電気的に接続されている。

パッド部２１２は、アルミニウム等の金属からなる。パッド部２１２は、従来からある、蒸着やスパッタリングのような薄膜形成技術、あるいは金属メッキ技術、およびパターニング（リソグラフィ）技術を用いて形成される。金属ワイヤー部２１６は、金等のワイヤーからなる。金属ワイヤー部２１６は、例えば、従来からあるワーヤーボンディング技術によって形成される。本発明で利用する異種金属接合部Ｓは、例えば、アルミニウム・パッドと金ワイヤーの組み合わせからなる。なお、異種金属接合の組み合わせは、これに限定されず、基本的に温度に依存する拡散係数の異なる任意の少なくとも２種以上の金属の組み合わせが可能である。

本発明では、パッド部には拡散係数の大きな金属が使用され、ワイヤー部にはパッド部に比べて拡散係数の小さな金属が使用される。これは、本発明が異種金属接合部Ｓにおけるカーケンダル効果（現象）による金属の拡散及び金属間化合物の成長に応じた抵抗値変化を利用するからである。言い換えれば、いわゆるカーケンダル・ボイドの生成及びその進行に応じた抵抗値変化を利用するからである。ここで、カーケンダル効果（現象）とは、一般に２種の金属の界面（図３（ｂ）の符号２２０）が金属原子の拡散によって移動することを意味する。カーケンダル・ボイドとは、カーケンダル効果（現象）によって金属界面２２０に発生するボイド（空孔）を意味する。

図３（ｂ）には、チップ２１０の表面上に設けられた３つの異種金属接合部Ａ〜Ｃが示されている。異種金属接合部Ａ〜Ｃは、厚さＴの異なる３つのパッド２１２と、ワイヤー部２１６を含む。図３（ｂ）では、ＡからＣの順でパッド２１２の厚さが厚くなっている。このように厚さを変える理由は、熱履歴センサ２０が設置される電気機器の運転条件（機器内の温度、外気温度、運転期間等）に応じて、異種金属接合部の金属の拡散量及び金属間化合物の成長量を制御できるようにするためである。

例えば、既に使用中の電気機器に対しては、Ａのような薄いパッドを選択して、寿命直前で所定のしきい値以上の抵抗値変化（断線（電気オープン）を含む）の累積率（数）を見ればよい。また、電気機器内の温度が比較的高い電気機器に対しては、Ｃのような厚いパッドを選択する。この場合も、同様に寿命直前で所定のしきい値以上の抵抗値変化（断線（電気オープン）を含む）の累積率（数）を見ればよい。

図４は、本発明の熱履歴センサが利用する抵抗値Ｒと電気機器の運転時間Ｔとの関係を例示する図である。図４の抵抗値Ｒの変化を示すグラフ１は、上述した異種金属接合部Ｓにおけるカーケンダル効果（現象）による金属の拡散及び金属間化合物の成長に応じた抵抗値変化によって生じている。図４（ａ）は、電気機器の運転時間Ｔと共に比較的なだらかに抵抗値Ｒが変化する場合の例である。

グラフ１の抵抗値Ｒは、いわゆるアレニウスの関係式によって計算されるグラフ（近似式）にほぼ沿った形で変化している。なお、アレニウスの関係式によって計算されるグラフについては、図５を用いて後述する。この場合、図４に示すように、所定のしきい抵抗値Ｒ１を設定することにより、しきい抵抗値Ｒ１以上の抵抗値Ｒにおいて電気機器の寿命が来ていると判断することができる。すなわち、所定のしきい抵抗値Ｒ１となった運転時間Ｔ１がその電気機器の寿命であると判断する。

一方、図４（ｂ）は、電気機器の運転時間Ｔの経過に対して急減に抵抗値Ｒが変化する場合である。破線のグラフ２は、アレニウスの関係式によって計算されるグラフ（近似式）である。実線のグラフ３では、（ａ）の場合と同様に、上述した異種金属接合部Ｓにおけるカーケンダル効果（現象）による金属の拡散及び金属間化合物の成長に応じた抵抗値変化によって生じている。しかし、グラフ３では、電気機器内で金属間化合物の成長を急激に変化させるような何らかの原因で、楕円Ｄで囲まれた領域で急激に抵抗値Ｒが変化（低下）している。

この場合、こうした急激な抵抗値の変化を想定して、その抵抗値の変化のしきい抵抗値変化量ΔＲを設定しておくことにより、電気機器の寿命を判断することができる。すなわち、例えば、しきい抵抗値変化量ΔＲを越えた時の運転時間Ｔ２を電気機器の寿命が来たと判断することができる。なお、抵抗値変化量ΔＲは、抵抗値が低下する場合のみならず増加する場合のしきい値としても設定することができることは言うまでもない。

図５は、本発明の寿命予測装置（方法）における電気機器の劣化予測を例示するための図である。言い換えれば、図５は、時間Ｔ（ｔ）と劣化指標値Ｄの関係を示す図である。図５において、破線４のグラフ４は、アレニウスの関係式によって計算されるグラフ（近似式）である。実線のグラフ５及び６は、いずれも上述した異種金属接合部Ｓにおけるカーケンダル効果（現象）による金属の拡散及び金属間化合物の成長に応じた抵抗値変化を用いた（想定した）シミュレーション・グラフである。

図５における劣化指標（Ｄ）、すなわち拡散定数Ｄは、アレニウスの関係式を用いて以下に示すように求めることができる。

図５において、劣化指標値Ｄのグラフ５ではその傾きが途中から小さく変化している（ΔＤ１）。したがって、この場合は、破線４で示される近似式（グラフ４）で代表される標準より電気機器の寿命は長い（長命）と判断できる。一方、劣化指標値Ｄのグラフ６ではその傾きがその途中から大きく変化している（ΔＤ２）。したがって、この場合は、破線４で示される近似式（グラフ４）で代表される標準標準より電気機器の寿命は短い（短命）と判断できる。図５に例示されるようなシミュレーション・グラフを予め求めておくことによっても、電気機器の寿命の予測／推定を行うことが可能となる。

本発明の実施形態について、図を参照しながら説明をした。しかし、本発明はこれらの実施形態に限られるものではない。さらに、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々なる改良、修正、変形を加えた態様で実施できるものである。

１０電気機器
２０熱履歴センサ
２５端子
３０、３２、３４端末
３５ネットワーク
１００システム
２００基板
２０５端子
２１０チップ
２１２金属パッド
２１４配線
２１６金属ワイヤー
２２０金属の界面

Claims

電気機器の寿命を予測するための装置であって、
電気機器の内部または外壁表面に取り付けられた少なくとも１つの熱履歴センサであって、複数の異種金属接合を含み、動作中の電気機器の内部または外壁の温度により異種金属接合において成長する金属間化合物の量に応じて、異種金属接合の抵抗値が変化するように構成された熱履歴センサと、
熱履歴センサから複数の異種金属接合の抵抗値を定期的または不定期に継続してモニターしかつメモリに保管して、当該保管された抵抗値の履歴を利用して電気機器の寿命を予測する判断手段と、を備え、
前記複数の異種金属接合は、基板上の複数の金属パッドと、当該金属パッド上にボンディングされた金属パッドの第１金属の拡散係数よりも小さい拡散係数を持つ第２金属から成る金属ワイヤーを含み、前記複数の金属パッドは異なる厚さの金属パッドを含む、装置。
前記判断手段は、前記抵抗値が所定のしきい抵抗値を越えた前記異種金属接合の割合が所定のしきい割合になるまでの時間を前記電気機器の寿命とする、請求項１の装置。
前記判断手段は、前記抵抗値の変化率が所定のしきい変化率を越える時の時間を前記電気機器の寿命とする、請求項１の装置。
前記判断手段は、前記複数の金属パッド上の前記金属ワイヤーが断線した割合が所定のしきい割合になるまでの時間を前記電気機器の寿命とする、請求項１の装置。
前記金属パッドの第１金属はアルミニウムからなり、前記金属ワイヤーの第２金属は金からなる、請求項１または４の装置。
前記熱履歴センサは、前記抵抗値を出力するための複数の端子を備え、
前記判断手段は、前記熱履歴センサの複数の端子から有線または無線により取得した前記抵抗値を前記メモリに格納する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置。
前記電気機器は電柱に設置された柱上変圧器であり、
前記熱履歴センサは前記柱上変圧器の内部に設けられ、前記熱履歴センサの複数の端子は前記柱上変圧器の外壁まで引き出されている、請求項６の装置。
請求項１〜７のいずれか１項に記載の装置から前記電気機器の寿命予測を受け取り、前記電気機器の管理を行うためのコンピュータを備える、電気機器の管理システム。
電気機器の寿命を予測するための方法であって、
電気機器の内部または外壁表面に取り付けられた少なくとも１つの熱履歴センサであって、複数の異種金属接合を含み、動作中の電気機器の内部または外壁の温度により異種金
属接合において成長する金属間化合物の量に応じて、異種金属接合の抵抗値が変化するように構成された熱履歴センサを準備するステップと、
前記熱履歴センサから前記複数の異種金属接合の抵抗値を定期的または不定期にモニターしメモリに保管するステップと、
前記保管された抵抗値の履歴を利用して電気機器の寿命を予測するステップと、を含み、
前記複数の異種金属接合は、基板上の複数の金属パッドと、当該金属パッド上にボンディングされた金属パッドの第１金属の拡散係数よりも小さい拡散係数を持つ第２金属から成る金属ワイヤーを含み、前記複数の金属パッドは異なる厚さの金属パッドを含み、
前記電気機器の寿命を予測するステップは、前記複数の金属パッド上の前記金属ワイヤーが断線した割合が所定のしきい割合になるまでの時間を前記電気機器の寿命と判断するステップを含む、方法。