KR100283651B1 - 커패시터의충전전류측정방법 - Google Patents

커패시터의충전전류측정방법 Download PDF

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KR100283651B1
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마사오 니시무라
도시나리 다바타
요시나오 니시오카
미츠루 기타가와
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무라타 야스타카
가부시키가이샤 무라타 세이사쿠쇼
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R27/00—Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
    • G01R27/28—Measuring attenuation, gain, phase shift or derived characteristics of electric four pole networks, i.e. two-port networks; Measuring transient response
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/12—Testing dielectric strength or breakdown voltage ; Testing or monitoring effectiveness or level of insulation, e.g. of a cable or of an apparatus, for example using partial discharge measurements; Electrostatic testing

Abstract

본 발명은 커패시터의 절연저항은 정확하게 측정하면서, 측정시간은 감소시키는 방법에 관한 것이다. 이런 결과를 위해, 전류 계산식은 먼저 커패시터의 등가회로에 근거하여 얻어진다. 그런 다음, 계산식은 실측 전류치 m(t)와 계산전류치 i(t)간의 일치도에 근거하여 수정 또는 정정되며, 전자는 전압의 초기 인가시에 유전분극성분의 충전영역내에서 존재한다. 그런 다음, 충전종단의 시각점에서의 전류치는 이 수정된 계산식을 이용함으로써 예측 또는 평가된다.

Description

커패시터의 충전전류 측정방법{Capacitor charging current measurement method}
본 발명은 일반적으로 커패시터의 충전전류 측정방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 커패시터의 절연저항을 측정하는데 적합한 충전전류 측정방법에 관한 것이다.
일반적으로, 신뢰할 수 있는 시험을 수행하기 위해, 커패시터에 직류측정전압을 인가하고, 이것의 완전한 충전후 이런 커패시터의 누설전류(충전전류)를 측정함으로써, 커패시터의 절연저항을 측정하는 방법이 알려져있다. 명백하게도, 보통의 또는 양품의 커패시터는 누설전류가 적다.
잘 알려진 충전전류측정방법은 JIS-C5102에 의해 정의된다. 이 방법은, 피측정물인 커패시터가 완전히 충전된 상태하에 전류치 측정이 수행되는 것을 요구하며, 이것은 또한, 거의 60초 경과후의 측정시간을 요구한다. 그러나, 더욱 엄격하게 요구되는 것은, 전자장치의 신뢰성은 증가시키면서, 반면 제조비용을 줄이는 것이며, 또한, 이런 장치에 사용되는 커패시터등의 전자부품은 생산성과 질적인 면에서의 향상을 요구한다. 이런 면에서, 커패시터당 실제적인 측정시간구간길이를 요구하는 종래의 측정방법은 이런 요구에 더 이상 완벽하게 대응할 수 없다.
다른 방법이 제안되었는데, 전압을 커패시터에 인가하기 시작한 후, 단축된 시간구간내에서 즉시 다수개의 시각에서 충전전류치를 측정하는 것으로, 이것에 의해 얻은 다중 전류측정치에 근거하여, 소정의 시간경과후 발생하는 전류치를 예측한다(일본특허 출원번호 5-78790). 이 방법은, 일정한 시간간격을 갖는 세 개의 다른 시각점에서, 커패시터를 통과하여 흐르는 전류치 I0, I1, I2를 측정하고; 이들 세 개의 전류측정치에 근거하여, 소정의 시간경과후 전류치 Ix를 하기의 수학식 1:
Ix＝(I1 2－I0·I2)/(2I1－I2－I0)
을 이용하여 계산하도록 설계된다.
이 방법을 사용함으로써, 먼저 언급된 방법이 충전상태에 충분히 도달하기 전에, 결과의 계산이 가능하며, 이것은 단축된 시간구간내에서 유도된 절연저항을 효과적으로 측정할 수 있게 한다. 그러나, 상기한 수학식 1은 도 1에 나타낸 바와같이, 커패시터의 등가회로가 있다는 가정하에 존재한다. 그러므로, 세라믹 커패시터등의 유전분극성분을 갖는 커패시터의 경우, 정확한 절연저항이 정의되지 않는다.
더욱 상세하게는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 간략화된 커패시터의 등가회로는 정전용량 C0, 내부전항 r 및 절연저항 R0로 구성된다. 그러나, 실커패시터의 등가회로는 또한 도 2에 나타낸 바와 같이 유전분극성분 D를 포함한다. 초기충전구간에(예를 들어, 충전동작의 개시후 10밀리초) 정전용량 C0, 내부전항 r 및 절연저항 R0의 효과가 가장 강하게 나타난다는 것이 고려될 수 있다. 그 후, 그러나, 유전분극성분 D는 충전특성을 제어한다. 따라서, 이런 유전분극성분 D의 존재를 무시하는 종래의 예측방법에 의해, 충전구간의 종단시에(예를 들어, 1분후) 충전전류를 정확하게 예측할 수 없다.
본 발명은, 커패시터가 완전히 충전되는 시각에서의 전류치를 정확하게 측정할 수 있으면서, 반면 측정시간을 단축시킬 수 있는 커패시터의 충전전류측정방법을 제공한다.
도 1은 커패시터의 등가회로의 한 구현예를 나타내는 회로도이다.
도 2는 커패시터의 등가회로의 다른 구현예를 나타내는 회로도이다.
도 3은 커패시터의 충전전류특성을 나타내는 도면이다.
도 4는 충전전류측정장치의 한 구현예를 나타내는 회로도이다.
도 5는 본 발명에 따른 전류 계산식의 전류치의 수정전과, 이것의 대응하는 측정치간의 비교를 나타내는 도면이다.
도 6은 직선 근사법을 사용함으로써 파라미터를 결정하는 방법을 나타내는 순서도이다.
도 7은 본 발명에 따른 전류 계산식의 전류치의 수정후와, 이것의 대응하는 측정치간의 비교를 나타내는 도면이다.
도 8은 직선 근사가 불가능한 경우를 나타내는 도면이다.
도 9는 직선 근사법과 2차 곡선 근사법을 모두 이용하는 파라미터 결정법을 나타내는 순서도이다.
도 10은 증가된 충전전류에 의해 얻어진 커패시터의 충전특성도이다.
도 11은 전압이 단속적으로 인가되는 것을 특징으로 하는 커패시터의 충전특성도이다.
도 12는 본 발명의 방법을 이용하는 특성 측정/선별/테이핑 장치를 나타내는 한 구현예의 평면도이다.
도 13은 본 발명의 방법을 이용하는 특성 측정/선별/테이핑 장치를 나타내는 다른 구현예의 평면도이다.
도 14는 본 발명의 방법을 이용하는 특성 측정/선별/벌크-케이스 패킹 장치를 나타내는 한 구현예의 평면도이다.
〈도면의 주요 부분에 대한 간단한 설명〉
10: 직류측정전원
12: 커패시터
13: 저항
14: 대수증폭기
15: 계측용 증폭기
16, 18: A/D 변환기
17: CPU
20: 턴 테이블
24: 충전 IR 측정부
27: 공급장치
28: 테이핑 장치
상기한 결과를 얻기 위해서, 본 발명은, 커패시터에 직류전압을 인가하는 단계와, 전압을 거기에 인가하면서 커패시터의 유전분극성분의 충전시에 측정된 전류치를 사용함으로써 충전시의 전류치를 예측하는 단계를 포함하는 커패시터의 충전전류를 측정하기 위한 특정방법을 제공한다.
충전시에 이런 전류치를 예측하기 위한 몇가지 유형의 방법들이 개발되어 왔다.
본 발명의 한 양상에 따르면, 제공된 방법은, 커패시터의 등가회로를 이용하여 전류 계산식을 초기결정하는 단계; 실측된 커패시터의 전류치 m(t)가 전류계산식을 사용하여 얻은 계산 전류치 i(t)와 동등하도록, 등가회로의 유전분극성분 D의 정전용량 C1, C2... Cn과 저항 R1, R2... Rn를 결정함으로써 전류 계산식을 수정하는 단계; 및 이런 수정된 전류 계산식에 의해 충전시의 전류치를 결정하는 단계를 포함한다.
전류치 예측은 또한, 커패시터의 유전분극성분의 충전영역내의 다수개의 실측 전류치로부터 근사식을 얻는 단계를 포함하는 다른 방법론을 이용함으로써 달성될 수 있으며, 이 근사식의 사용은 충전시의 최종적인 전류 측정치를 예측할 수 있게 한다.
첨부하는 도면에 설명된 바와 같이, 본 발명의 이들 및 다른 목적과, 특징들 및 효과는, 본 발명의 구현예들의 하기의 더욱 특별한 설명으로부터 명백해진다.
본 발명의 몇몇 구현예들을 제시하기 전에, 본 발명의 개념을 유도하는 사실을 제시한다.
먼저, 세라믹 커패시터에 대하여, 충전시의 전류치의 변화가 정확하게 측정되왔다. log 전류: log 시간의 스케일과 대등한 이런 전류와 시간의 좌표를 통하여, 도 3에 나타낸 특정 특성(실선으로 나타낸 것)의 존재를 발견하였다. 더욱 상세하게는, 충전기간 초기의 짧은 또는 극소의 영역 ⓛ에는, 실제적으로 일정한 강도의 큰 전류가 흐른다. 이 초기 영역 다음의 전이 영역 ②에서는, 전류치가 급속하게 저하된다. 그리고 그 후에, 전류는 일정한 기울기를 갖는 직선 충전 특성 ③을 따라 저하된다. 이 직선 충전 특성 ③은, 충전개시후 1~2 분 경과까지 연속적으로 관찰된다.
상기한 특성 연구는, 초기구간 충전특성 ①이 도 1의 개략화된 등가회로에 대응하는 충전 영역이라는 사실과, 반면 직선 충전 특성 ③이 유전 분극 성분의 충전 영역이라는 사실을 밝혀냈다. 이 부분에서, 충전시각 t2에서의 전류치 i2는 커패시터의 등가회로로부터, 즉, 유전분극성분의 충전영역 ③의 전류계산식을 정의함으로써 정확하게 예측될 수 있다; 실제적으로는, 유전분극성분의 충전영역 ③의 초기구간(예를 들어, 도 3의 시각점 t1에서)에서의 전류치 m(t1)를 측정하고, 측정된 전류치 m(t1)가 등가회로를 사용하여 얻어진 계산된 전류치 i(t1)와 동등하도록 전류 계산식을 수정하며, 충전이 충분히 완료된 시각점 t2를 수정된 전류 계산식에 대입함으로써 정확하게 예측될 수 있다.
주지하는 바와 같이, 초기구간 ①은 커패시터의 정전용량값에 의존하여 다소 변화될 수 있으며, 초기영역 ①과 전이영역 ②의 합계가 보통 10 밀리초 이하이다. 따라서, 정확한 전류 계산식은 충전 개시후 10 밀리초의 시작점 또는 부근에서 전류치 i1, i2를 측정함으로써 얻을 수 있다.
본 발명의 방법을 사용함으로써, 커패시터당 수십 밀리초의 구간시간내에서 절연저항을 얻을 수 있으며, 이것에 의해 절연저항 측정의 작업능률을 현저하게 향상시킬 수 있다.
등가회로의 유전분극성분 D의 저항 R1,R2...Rn이외에도 정전용량 C1,C2...Cn을 결정하는 경우, 이들을 소정의 관계식을 이용하여, 즉, 등비수열의 관계로 나타내는 것이 용이하다. 각각의 초항 C1,R1과 공비 p, q는 각각의 적에 따라서 결정될 수 있다. 이것은 등비수열에 의해 정전용량들 C2...Cn및 저항들 R2...Rn을 신속하게 결정할 수 있게 한다.
실측 전류치 m(t)와 계산된 전류치 i(t)간의 일치도를 평가하기 위한 간단한 방법은 log m(t)－log i(t)와 시간을 좌표축을 따라 플로팅하면서, 직선 근사를 수행하는 것이다.
또한, 2차 또는 2차 곡선 근사는 평가방법으로서 사용될 수 있다. 이 2차 근사는 또한 직선 근사와 함께 사용될 수 있다. 더욱 상세하게는, 직선 근사로 인해 기울기와 절편이 거의 0에 근사하게 되는 경우, 직선 근사법에서는, 이들이 서로 동일하다고 판정된다. 그러나, 실제로는 이들이 항상 동일하지는 않다. 그러므로, 이런 직선 근사후에 2차 곡선 근사를 수행함으로써, 상당히 높은 정확도의 근사가 가능하다.
직선 근사 평가함수로서는, log m(t)－log i(t) 이외에도, log m(t)/log i(t), m(t)/i(t), 또는 m(t)－i(t)가 이용될 수 있다. 이 경우에, 기울기와 절편이 각각 0 및 1에 근사하는 경우, 일치도가 완성된다. 또한, 이 경우에, 평가방법으로서, 2차 곡선 근사가 이용될 수 있다.
도 4는 본 발명의 원리를 구현하는 전류측정장치의 구체예를 나타낸다. 이 측정장치는 본 출원의 출원인의 이름하에 일본 특허 출원번호 7-293442에 제시되었던 것이다.
이 전류측정장치는 직류측정전원 10과, 스위치 11과, 피측정물로서의 커패시터 12와, 전류 제어 저항 13과, 대수 증폭기 14와, 계측용 증폭기 15와, A/D 변환기 16, 18 및 연산처리회로(CPU) 17을 포함한다. 장치는 충전초기구간에서 증폭기 15가 유도된 전류치를 측정하게 하며, 소정의 한계치(predefined threshold value)에서 대수 증폭기 14로 전환하며, 그런 다음 대수 증폭기 14가 전류치를 측정하도록 설계된다. 커패시터 12의 충전전류가 넓은 범위에서 변화하는 경우에도, 이 측정장치는 정확한 측정을 제공할 수 있으며, 이것은 또한 종래의 측정장치에서 계측곤란 하였던 충전동작 초기에서 충전동작 종기까지의 전구간에 걸쳐서 연속적이거나 또는 비연속적인 전류치를 측정할 수 있게 한다.
이하, 본 구현예에서, 본 발명의 충전전류측정법의 원리를 설명한다.
우선, 이상에서 설명한 바와 같이, 커패시터의 등가회로도를 도 2에 나타낸다. 도 2에서 등가회로의 유전분극성분인 정전용량 C1, C2... Cn과 저항 R1, R2... Rn는 하기의 수학식 2에 제시한 등비수열의 관계를 갖는다:
Ck＝pk－1C1
Rk＝qk－1R1
(식중에서, k는 1, 2, ... n을 나타내며, C1,R1,p 및 q는 상수이다.)
등가회로에 흐르는 전류의 방정식은 하기의 수학식 4로 나타낼 수 있다:
Figure pat00001
(식중에서, E는 커패시터에 인가된 전압이고, t는 시간이며, R0는 절연저항이다)
수학식 4의 첫 번째 항은 절연저항 R0에 흐르는 전류를 나타내며, 두 번째 항은 유전분극성분 D를 거쳐 흐르는 전류를 나타낸다. 주지하는 바와 같이, 약간의 전류가 충전의 초기에는 정전용량 C0와 내부저항 r의 직렬회로로 흐르는 것을 시도하지만, 본 발명의 전류계산식과 직접적인 관련이 없기 때문에, 이런 전류는 수학식 4로 고려되지 않는다.
그런 다음, 이전에 논의된 바와 같이 설정된 계산 전류치 i(t)가, 도 4의 전류측정장치에 의해 얻어진 실측 전류치 m(t)와 실제적으로 동등하도록, 파라미터 C1, R1, p 및 q가 결정된다.
계산된 전류치 i(t)와 실측 전류치 m(t)간의 일치도의 평가는 하기의 방법으로 수행된다. 첫 째로, 평가함수 n(t)는 다음과 같이 정의된다:
n(t)＝log m(t)－log i(t)
그런 다음, 상기식에 의해 얻어진 평가함수 n(t)를 직선 근사하였다. 여기에서 사용된 근사식은 직선식 y＝ax＋b로서 주어지며, 이것에 의해 이 식의 기울기 a와 절편 b가 0에 근사할수록 일치도가 높은 것으로 판정된다. 게다가, 평가시각점 t는 도 3의 유전분극성분의 충전영역 ③의 초기(예를 들어, 5~20 밀리초후)에 설정될 수 있다.
이 평가시간, 즉, 고속으로 일치도를 평가하는 시간 또는 높은 정확도로 일치도를 평가하는 시간은 측정물에 의존한다. 평가시간은 이들 측정물에 따라 임의로 적용될 수 있다.
이런 방법으로, 일치도가 높은 파라미터를 사용하여 수학식 4를 수정하고, 이런 수정된 수학식 4에 충전종료시의 시간(예를 들어, 60초)을 대입함으로써, 충전종료시의 전류치를 얻을 수 있다.
이하, 몇몇 구현예들을 이용하여 기재된 측정방법을 더 설명한다.
먼저, 적층 세라믹 커패시터가 피측정물인 경우, 파라미터, C1, R1, p 및 q는 하기와 같이 일정한 값으로 초기설정된다.
C1＝210×10－12
R1＝0.1×106
p＝1.07
q＝2.1
이들 초기설정값들을 이용하여 계산된 전류치 i(t)를 실측 전류치 m(t)와 함께 도 5에 나타낸다.
이런 초기값을 사용하여 얻어진 직선 근사식은, 도 5에 나타낸 바와 같이 기울기 a＝5.37이고, 절편 b＝0.044이며, 이것 모두는 0에 근사하지 않는다. 이것 때문에, 예를 들어, 60초 경과후의 하나의 계산치 i(t)가 이것의 대응하는 측정치 m(t)와 동일하지 않다고 신속하게 보여진다.
그런 다음, 파라미터, C1, R1, p 및 q가 도 6에 나타낸 방법을 사용하여 수정되어, 기울기 a와 절편 b가 예를 들어, 0.01 미만으로, 0에 근사하도록 되어, 이것에 의해 계산과 측정간의 일치도가 증가하게 된다.
먼저, 파라미터, C1, R1, p 및 q의 값(단계 S1)이 초기설정된다.
그런 다음, 초기 설정 파라미터를 이용하여, 유전분극성분 D의 충전영역 ③(이를 테면, 충전동작 개시후 약 10 밀리초 이상)에서 수학식 4에 의해 계산된 전류치 i(t)를 얻었다(단계 S2).
그런 다음, 실측 전류치 m(t)는 동일한 시각점에서 측정되며, 평가함수 n(t)는 실측치 m(t)와 계산치 i(t)와의 대수치의 차이에 근거하여 얻어진다(단계 S3).
그런 다음, 평가함수 n(t)의 직선 근사는 수행된다(단계 S4).
그런 다음, 근사식 y＝ax＋b의 절편 b의 절대치가, 소정의 치 β(예를 들어, β＝0.01) 미만인지 아닌지가 판정된다(단계 S5). 이 단계에서, 절편 b는 0에 근사한다고 판정된다.
단계 S5에서, ｜b｜≥β인 경우, 실행되었던 근사계산회수가 소정의 회수 N1이내에 있는지 여부가 판정된다(단계 S6). 이것은 무한 루프(infinite loop)의 발생을 방지하는 것이다.
근사계산회수가 N1이하인 경우, b의 극성(polarity)의 정부(positive or negative)에 의존하는 일정치에 의해 C1이 증가 또는 감소된다(단계 S7).
근사실행회수가 N1이상인 경우, C1을 수정하는 것은 절편 b의 0으로의 근사실패를 의미한다. 따라서, q 및/또는 R1은 b의 정부에 의존하는 일정치에 의해 증가 또는 감소된다(단계 S8).
단계 S7 또는 단계 S8에서 C1, q 또는 R1을 수정한 후, 단계 S2, S3, S4 및 S5의 진행작업을 반복한다.
단계 S5에서 ｜b｜＜β인 경우, 근사식의 기울기 a의 절대치가 소정치 α (예를 들어, α＝0.01) 미만인지 아닌지가 판정된다(단계 S9).
단계 S9에서, ｜a｜≥α인 경우, 근사계산회수가 소정의 회수 N2이내에 있는지 여부가 판정된다(단계 S10). 이것은 또한, 무한 루프(loop)의 소거과정이다.
근사계산의 회수가 N2이하인 경우, a값의 정부 여부에 따른 상수값에 의해, p가 증가 또는 감소된다(단계 S11).
근사계산의 회수가 N2이상인 경우, p의 수정은 기울기 a를 0에 근사시키지 못했다는 것을 나타낸다. 그러므로, a의 정부 여부에 의존하는 일정치에 의해, q 및/또는 R1이 증가 또는 감소된다(단계 S12).
단계 S11 또는 S12에서 p 또는 q 및/또는 R1의 수정을 완정한 후, 단계 S2, S3, S4, S5 및 S9이 반복된다. ｜b｜＜β 및 ｜a｜＜α의 경우에는, 일치가 완성되는 것으로 판정된다(단계 S13). 바꾸어 말하면, 파라미터 C1, R1, p 및 q가 최종적으로 결정된다.
최종적으로 결정된 파라미터는 다음과 같다:
C1＝198.3×10－12
R1＝0.1×106
p＝1.093
q＝2.1
도 7은 이런 수정된 파라미터를 이용하여 얻은 계산치 i(t)와 실측치 m(t)와의 비교도이다. 이 경우의 직선 근사식에서, 기울기 a＝2×10－5과 절편 b＝－6×10－6모두가 0에 근사한다.
도 7에서 명백한 바와 같이, 계산치 i(t)와 실측치 m(t)는 충전동작의 종료시(예를 들어, 60초후)에도 서로 양호한 일치도를 갖으며, 이것은 본 발명의 방법이 상당히 높은 정확도의 측정방법이다라는 것을 명백하게 보여준다.
상기한 구현예에서는, 파라미터 C1, R1, p 및 q가 직선 근사에 의해 수정되도록 배치되며, 이런 파라미터 수정은 또한 직선 근사 이외에도 2차 곡선 근사의 사용에 의해 완성될 수 있다.
더욱 상세하게는, 도 8에 나타낸 바와 같이, 각각의 실측치와 계산치간의 대수치의 차이 n(t)에 대하여 직선 y＝ax＋b를 사용하여 근사하는 경우에는, 얻은 기울기 a와 절편 b의 값은 모두 0에 근사하며, 이것은 직선 근사의 일치도가 높다는 것을 의미한다. 그러나, 실측치와 근사 직선이 서로 완전히 일치하지는 않는다. 이것은 충전동작의 종료시에, 계산치와 이것의 대응하는 실측치간의 증가된 차이의 존재를 초래한다. 이것이 이 경우라면, 2차 곡선근사를 함께 이용함으로써, 정확도가 향상된 일치도의 평가가 가능하다.
2차 곡선 근사를 포함하는 방법의 경우에는, 평가함수 n(t)의 근사식이 y＝dx2＋ex＋f로 주어진다고 가정하여; 2차 또는 2차 계수 d가 0에 근사하며, 동시에 값(－e/2d)은 일치도를 측정하기 위한 구간시간내의 특정값인 경우에는, 일치도가 높다고 판정된다. 바람직하게는, 구간시간의 간격은 5~20 밀리초의 범위로 설정될 수 있다. 일치도가 저조한 경우, 수학식 4의 R0값은 변경 또는 갱신된다. 이 경우, 직선 근사식과 2차 곡선 근사식간의 일치도가 상승하도록, 파라미터를 수정한 후, 수정된 파라미터를 이용하는 수학식 4를 이용하는 전류치를 얻음으로써, 정확한 계산치를 얻을 수 있다.
도 9는 직선 근사법과 2차 곡선 근사법을 모두 이용하는 파라미터 결정방법을 나타내는 도면이다.
먼저, 충전동작의 초기(예를 들어, 5~20 밀리초)에, 전류치 m(t)가 측정된다 (단계 S14).
그런 다음, 절연저항 R0가 결정된다. R0의 초기 값은 약 1012＝1T로 충분히 크게 설정된다(단계 S15).
그런 다음, 파라미터 C1, R1, p 및 q를 결정한다(단계 S16). 이들 파라미터의 초기값은 도 6의 단계 S1에서와 유사한 방식으로 경험적으로 알 수 있다.
그런 다음, 단계 S16에서 결정된 파라미터는, 수학식 4에 의해, 계산된 전류치 i(t)를 얻는데 사용된다(단계 S17).
그런 다음, 계산결과에 의해 얻어진 바와 같이, 실측치 m(t)와 이것의 대응하는 계산 전류치 i(t)간의 차이에 근거하여, 평가함수 n(t)를 얻는다(단계 S18).
그런 다음, 평가 함수 n(t)를 직선 근사한다(단계 S19).
그런 다음, 이런 직선 근사로 인해 일치도가 높은지의 여부가 판정된다(단계 S20). 여기에서 사용된 판정방법은, 도 6의 기울기 a와 절편 b가 모두 0의 근방, 예를 들어, 0.01 미만이라는 것에 근거된다. 일치도가 저조한 경우, 파라미터 C1, R1, p 및 q는 수정 또는 정정되며, 그런 다음 단계 S16 다음의 처리가 반복된다.
일치도가 높은 경우, 평가함수 n(t)를 2차 곡선근사한다(단계 S21).
그런 다음, 2차 곡선 근사에 의해 일치도가 높은지 또는 낮은지의 여부가 판정된다(단계 S22). 이 판정법은, 2차 곡선근사식의 2차 계수 d가 0 부근인지 아닌 지와, 값(－e/2d)가 일치도의 비교를 위한 소정의 구간시간의 간격내에 있는 특정값인지 아닌지에 근거한 것이다. 얻은 일치도가 저조한 경우, 파라미터 R0는 수정되며, 단계 S15 이하의 작업이 반복된다.
2차 곡선 근사에 의해 일치도가 높게 판정되는 경우, 파라미터 R0, C1, R1, p 및 q가 최종적으로 결정된다(단계 S23).
상술한 구현예에서는, 평가함수 n(t)가 실측치 m(t)와 계산치 i(t)간의 차이에 근거하여 규정되지만, 발명은 거기에 한정되지 않는다. 즉, 계산치 i(t)의 대수값에 대한 측정치 m(t)의 대수값의 비율; 계산치 i(t)에 대한 측정치 m(t)의 비율; 또는 측정치 m(t)와 계산치 i(t)와의 차이에 근거한 직선 근사를 수행할 수 있으며, 하기와 같이 나타낸다:
n(t)＝log m(t)/log i(t)
n(t)＝ m(t)/i(t)
또는,
n(t)＝ m(t)－i(t)
그러나, 평가함수 n(t)가 n(t)＝log m(t)/log i(t) 및 n(t)＝m(t)/i(t)로 정의되는 경우, 직선 근사식, y＝ax＋b의 기울기 a가 0에 근사하는지와, 절편 b가 1에 근사하는지에 의존하여, 일치도가 평가될 수 있다. 평가함수 n(t)가 n(t)＝m(t)－i(t)로 정의되는 경우, 직선 근사식, y＝ax＋b의 기울기 a가 0에 근사하는지와, 절편 b가 또한 0에 근사하는지에 의존하여, 일치도가 평가될 수 있다.
게다가, 평가함수 n(t)는 실측치 m(t)와 계산치 i(t)간의 차이로 규정될 수 있다.
평가함수 n(t)가 상술한 바와 같이 규정되는 경우, 직선 근사에 더하여 또는 대신에 2차 곡선 근사를 이용할 수 있다.
상기한 구현예에서는, 커패시터에 흐르는 충전전류는 제한저항 13(도 4 참조)에 의해 JIS 규격에 따라서 결정된 바와 같이 50 밀리암페어(㎃)로 제한된다. 그러나, 제한저항 13의 저항치의 상승에 따라서 도 10에 나타낸 바와 같이, 충전반응이 더욱 빨라지게 된다는 것을 발견하였다. 도 10의 실선은 충전전류가 50㎃로 설정되는 경우를 나타내며, 반면 이점쇄선은, 충전전류가 100㎃인 경우를 나타낸다.
더욱 상세하게는, 실정전용량에 의해 충전영역 ③의 전류치가 증가함에 따라, 전류치가 높을수록 이것의 시간은 단축된다. 이것과 반대로, 유전분극성분의 충전영역 ③의 충전곡선은, 높은 전류치에서도 거의 불변이며, 이것에 의해 이런 충전영역 ③의 개시점은 더욱 가속된다. 바꾸어 말하면, 선형적인 유전분극성분 D의 충전영역 ③은 기간내에서 연장된다.
이상에서 논의된 이유로, 첫 번째 구현예에서, 수학식 4의 평가와 수정의 실행이 소정의 시각 t1에서, 즉, 충전동작의 개시후 약 10 밀리초에서 시작되도록 배치되지만, 개시후 10 밀리초 이전의 시각에서 이런 평가와 수정이 시작될 수도 있다. 바꾸어 말하면, 유도된 절연저항을 더욱 빠르게, 더욱 향상된 정확도로 측정할 수 있다.
또한 상기한 구현예에서는, 커패시터에 전압을 연속적으로 인가하여, 커패시터의 충전특성에 근거하여, 계산식의 평가 및 수정을 실시하였다. 그러나, 본 발명자는 이런 연속적인 전압인가 없이도, 도 3에 나타낸 것과 유사한 유도특성이 얻어질 수 있다는 것을 알았다. 도 11은, 직류전압이 소정의 시간 간격을 두고 단속적으로 커패시터에 인가되는 경우에 얻어진 충전특성을 나타낸다.
도 11로부터 명백한 바와 같이, 정전용량 C0에 의한 충전영역 ①은, 충전개시점에서 시각 t4에 걸친 구간에 도 3과 유사한 방법으로 나타나며; 전압인가는 유전분극성분의 충전영역 ③의 출현 직후 중단된다. 그런 다음, 전압이 다시 시각 t5에 인가되는 경우, 초기에는 큰 돌입전류가 흐르지만, 전류는 즉시 직선형의 충전특성 ③'로 되돌아온다. 이 충전특성 ③'는 충전개시점에서 시각 t4까지의 구간의 직선형의 충전영역 ③의 연장선상이다. 이후, 유사한 간헐적인 전압인가가 반복되며, 이것으로 인하여 충전전류을 직선형의 충전특성에 따라 저하시킨다.
도 11에서 주지하는 바와 같이, 동일한 간격으로 전압인가를 수행하는 것으로 보이지만, 도 11의 횡축은 대수시간 스케일(scale)에 있기 때문에, 실제적으로 두 번째 전압인가는 시간 길이로는 첫 번째 것에 비하여 더 크다. 이것은 설명의 간략화만 위한 것이다. 전압인가의 시간 간격은 또한 일정하게 될 수 있거나, 또는 첫 번째 것이 두 번째에 비하여 더 길 수 있다고 생각된다.
전술한 연속적이거나 또는 ″반복적인 인가 및 중단″ 전압 인가 계획을 사용함으로써, 첫 번째 시각 전압인가시에 유전분극성분의 충전영역 ③내의 시각 t6에서 전류치 i6의 측정후, 두 전째 전압인가시에, 유전분극성분의 충전영역 ③' 내의 시각 t7에서 전류치 i7을 측정할 수 있으며; 또한, 값 i6, i7을 포함하는 두 개 이상의 전류치를 사용함으로써 수학식 4의 평가와 수정을 수행할 수 있다.
이 방법에 의해, 연속적인 전압 인가 계획을 사용할 필요를 제거함으로써, 절연저항 측정장치의 실행의 용이함이 향상될 수 있다.
도 12는 본 발명의 방법을 이용하는 특성 측정/선별/테이핑 장치의 한 구체적인 예를 나타낸다.
이 도면에서, 수(數) 20은 턴 테이블(turn table)을 나타내는데 사용되며, 이것은 화살표로써 나타낸 방향을 따라 일정 간격 또는 피치에서 단속적으로 회전할 수 있다. 턴 테이블 20은 동일한 피치간격을 두고, 주위를 따라 실장된 다수개의 유지부(support members) 21를 구비하며, 이것에 의해 각각의 부재는 그들 위에 피측정물로서의 단일의 칩 커패시터를 지지하는 작용을 한다. 턴 테이블 20의 주위에는, 커패시터 칩들을 테이블 20에 공급하는 공급부(supply section) 22와, 용량 측정부(capacitance measurement section) 23과, 본 발명의 원리를 구현하는 충전 IR 측정부(chargeup IR measurement section) 24와, 불량품 배출부(defective product outlet section) 25와, 양품 부착부(acceptable product attachment section) 26 및 도시하지 않은 그외 다른 구성요소들이 설치되어 있다. 공급부 22는 커패시터 칩을 턴 테이블 20에 공급하도록 작용하는 공급장치 27에 1:1로 결합된다. 공급장치 27은 부분 공급기(parts feeder)일 수 있다.
또한, 양품 부착부 26에 대응하는 테이핑 장치 28이 배치된다. 테이핑 장치 28은 커패시터 칩을 수납하는 기재 테이프 29를 구동하도록 작용하여, 테이프 29는 화살표로 나타낸 방향으로 1 피치마다 단속적으로 진행 또는 진척하여, 이것에 의해 단일의 양품의 커패시터는 양품 부착부 26에서 기재 테이프 29의 수납부 29a의 대응하는 하나에 동시에 저장된다. 하나의 커패시터를 수납부 29a에 저장후, 테이핑 장치 28은 공지의 방법으로 기재 테이프 29 위에 부착함으로써 커버 테이프(도시하지 않았음)에 인가한다.
종래의 경우에는, 각각의 커패시터를 장시간 턴 테이블 위에서 충전시키는 것이 엄격히 요구되었으며, 이것으로 인하여 테이핑 장치와의 정교한 일치를 얻을 수 없었다. 이것을 방지하기 위해, 종래의 장치는 선별시험을 통과하고 턴 테이블 위에서 특성측정을 이미 실시하였던 소정의 개수의 양품의 커패시터가 부착 콘테이너(attachment container)등에서 저장 또는 축적되도록 배치되어야 하고, 이런 커패시터는 테이핑 장치로의 운반을 위해 다시 적절한 부분 공급기등의 사용에 의해 부착 콘테이너 밖으로 1:1로 꺼내진다.
이 복잡한 배치는 불리하게도 특성측정에서 마지막 포장까지 연장하는 작업공정의 속도를 대단히 감소시키며, 설비 스케일(scale)과 제조비용을 바람직하지 않게 증가시킨다.
반면, 본 발명에 기재된 방법의 사용은 충전시에 커패시터의 전류, 즉, 절연저항을 신속하게 얻을 수 있다. 이것으로 인해, 어느 유도된 절연저항측정이 턴 테이블 20의 하나 또는 여러 중단기간에 완성될 수 있는 반면, 동시에 충전 IR 측정부 24가 감소된 수의 블록(blocks)에 의해 구성될 수 있다. 따라서, 동작시에 턴 테이블 20이 테이핑 장치 28과 정확하게 일치되게 할 수 있으며, 이것은 또한 턴 테이블 20에서 테이핑 장치 28 까지 각각의 특성 측정 커패시터에 직접 공급하는 능력을 초래할 수 있다. 이것은 종래의 기술에 비하여 작업속도의 증가를 초래하며, 작업비용 이외에도, 설비의 복잡성과 크기를 감소시킨다.
도 13은 본 발명의 방법을 구현하는 특성측정/선별/테이핑 장치의 다른 구체적인 예를 나타낸다.
이 장치는 단일의 턴 테이블 20과, 테이블 20의 대향측에 배치된 한 쌍의 공급장치 27, 및 테이블 20의 중심이 사이에 배치된 두 개의 테이핑 장치 28을 포함한다. 두 개의 테이프 29는 서로 대향하는 방향으로 이동하도록 배치된다.
이 장치의 경우에는, 도 12의 장치와 비교하여, 작업속도와 효율이 더욱 향상될 수 있다.
도 14는 특성 측정/선별/벌크-패킹(bulk-packing) 장치의 한 구체적인 예를 나타낸다.
이 장치에서, 부분 공급기 27과 턴 테이블 20에 의해 얻어졌던 양품의 커패시터들은, 테이블 20에서 벌크 패킹 장치 30에 의해 벌크 케이싱(casing) 31로 채워진다. 벌크 케이싱 31은 소정의 개수의 커패시터를 거기에 수용할 수 있도록 형성되며, 이것에 의해 이런 일정 개수의 커패시터의 패킷(packet)의 수납의 완성후, 벌크 케이싱 31을 화살표의 방향으로 구동시킬 수 있다.
또한, 이 경우에는, 도 12와 유사한 효과의 구현예가 있을 수 있다.
전류 계산식이 수정되는 경우, 직선 근사는 바람직하게는, 일치도를 평가하기 위해 수행된다. 이 경우, 평가함수 n(t)로서, log m(t)－log i(t), log m(t)/log i(t), m(t)/i(t), 또는 m(t)－i(t)를 사용하여, 평가함수 n(t)와 시간을 좌표축을 따라 플로팅하면서, 직선 근사가 수행될 수 있다. y＝ax＋b가 직선 근사식으로 이용되는 경우, n(t)＝log m(t)－log i(t) 및 n(t)＝m(t)－i(t)에서의 a가 0에 근사하고 b가 0에 근사하는 경우, 일치도가 완성된다. n(t)＝log m(t)/log i(t) 및 n(t)＝m(t)/i(t)에서의 a가 0에 근사하고 b가 1에 근사하는 경우, 일치도가 완성된다.
또한, 2차 곡선 근사가 일치도를 평가하기 위해 사용될 수 있다. 2차 곡선 근사는 직선 근사와 함께 사용될 수 있다. 즉, 직선 근사의 경우, 기울기 a와 절편 b가 모두 0에 근사하는 경우에 일치도가 완성된다. 그러나, 측정치와 근사 직선이 실제적으로는 서로 동일하지 않다. 이것이 이 경우라면, 2차 곡선 근사를 첨가하여, 일치도의 평가를 한층 정확하게 수행할 수 있다.
주지하는 바와같이, 상용대수(common logarithm)와 자연대수(natural logarithm) 이외에도, 임의의 대수(arbitrary logarithm)가 본 발명에서 대수로서 이용될 수 있다.
상기 구현예들은 피측정물인 커패시터의 등가회로에 근거한 전류계산식을 이용함으로써 충전시의 전류치를 예측하도록 배치되며, 충전시의 전류치의 예측은 또한 근사식등의 다른 수법을 이용하여 수행될 수 있다.
또한 구현예들에서, 등가회로의 유전분극성분인 정전용량C1, C2... Cn과 저항 R1, R2... Rn은 등비수열의 관계로 설정된다. 그러나, 이 방법이 실측전류치 m(t)와 계산전류치 i(t)의 일치도에 의해, 이 방법이 정전용량 C1~Cn과 저항 R1~Rn을 결정할 수 있게 하는 한, 이들은 또한 이런 등비수열 이외에 다른 관계로 설정될 수 있다.
또한, 상기 구현예들에서, 직선 또는 2차 곡선 근사 체제는 실측 전류치 m(t)와 계산 전류치 i(t)간의 일치도를 평가하기 위해 이용되며, 다른 공지의 근사법은 또한 이것 대신에 이용될 수 있다.
주지하는 바와 같이, 본 발명은 세라믹 커패시터에만 독점으로 한정되는 것은 아니며, 이들이 유전분극성분을 갖는 한, 전해 커패시터(electrolytic capacitors)와 필름 커패시터(film capacitors)등의 어느 다른 형태의 커패시터에도 적용할 수 있다.
전술한 설명으로부터 명백한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 전압인가시에 커패시터의 유전분극성분의 충전영역의 전류치를 사용하여 충전동작시의 전류치가 예측되기 때문에, 최종적인 전류치(예를 들어, 전압인가 1분후의 전류치)를 단시간에 정확하게 예측할 수 있으며, 이것에 의해 커패시터의 절연저항을 효과적으로 측정할 수 있다.
게다가, 이 방법이 사용되는 경우, 이런 최종적인 충전전류치의 예측은 정확
본 발명의 구현예들을 참조하여, 본 발명을 상세하게 나타내고 설명하였지만, 본 발명의 요지와 범위를 벗어나지 않는 범위내에서 다양한 변화와 변형이 가능하다는 것은 당업자들에게는 명백한 일이다.

Claims (26)

  1. 커패시터에 직류전압을 인가하는 단계; 및
    상기한 전압 인가시에, 커패시터의 유전분극성분의 충전영역에서 측정된 전류치를 사용하여, 충전시의 전류치를 예측하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 커패시터의 충전전류 측정방법.
  2. 제 1항에 있어서, 충전시의 전류치를 예측하는 단계는,
    커패시터의 등가회로를 이용하여 전류 계산식을 초기설정하는 단계;
    실측된 커패시터의 전류치 m(t)가 상기한 전류계산식을 이용하여 얻은 계산 전류치 i(t)와 일치하도록, 등가회로의 유전분극성분인 정전용량 C1, C2... Cn과 대응하는 저항 R1, R2... Rn를 결정하여 전류 계산식을 수정하는 단계; 및
    상기한 수정된 전류 계산식을 사용하여, 충전시의 상기한 전류치를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 커패시터의 충전전류 측정방법.
  3. 제 2항에 있어서, 상기한 정전용량 C1,C2...Cn과 저항 R1,R2...Rn을 각각 등비수열로 설정하여, 각각의 초항 C1,R1과 공비 p, q를 구하여, 상기한 정전용량 C1,C2...Cn과 저항 R1,R2...Rn을 결정함을 특징으로 하는 커패시터의 충전전류 측정방법.
  4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서, 상기한 전류 계산식을 수정하는 단계는, 실측 전류치 m(t)와 계산 전류치 i(t)간의 일치도를 평가하기 위해, log m(t)－log i(t)와 시간을 좌표축을 따라 플로팅하면서, 직선 근사를 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 커패시터의 충전전류 측정방법.
  5. 제 2항 또는 제 3항에 있어서, 상기한 전류 계산식을 수정하는 단계는, 실측 전류치 m(t)와 계산 전류치 i(t)간의 일치도를 평가하기 위해, log m(t)－log i(t)와 시간을 좌표축을 따라 플로팅하면서, 2차 곡선근사를 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 커패시터의 충전전류 측정방법.
  6. 제 2항 또는 제 3항에 있어서, 상기한 전류 계산식을 수정하는 단계는, 실측 전류치 m(t)와 계산 전류치 i(t)간의 일치도를 평가하기 위해, log m(t)/log i(t)와 시간을 좌표축을 따라 플로팅하면서, 직선 근사를 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 커패시터의 충전전류 측정방법.
  7. 제 2항 또는 제 3항에 있어서, 상기한 전류 계산식을 수정하는 단계는, 실측 전류치 m(t)와 계산 전류치 i(t)간의 일치도를 평가하기 위해, log m(t)/log i(t)와 시간을 좌표축을 따라 플로팅하면서, 2차 곡선근사를 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 커패시터의 충전전류 측정방법.
  8. 제 2항 또는 제 3항에 있어서, 상기한 전류 계산식을 수정하는 단계는, 실측 전류치 m(t)와 계산 전류치 i(t)간의 일치도를 평가하기 위해, m(t)/i(t)와 시간을 좌표축을 따라 플로팅하면서, 직선 근사를 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 커패시터의 충전전류 측정방법.
  9. 제 2항 또는 제 3항에 있어서, 상기한 전류 계산식을 수정하는 단계는, 실측 전류치 m(t)와 계산 전류치 i(t)간의 일치도를 평가하기 위해, m(t)/i(t)와 시간을 좌표축을 따라 플로팅하면서, 2차 곡선근사를 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 커패시터의 충전전류 측정방법.
  10. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기한 커패시터에 50㎃보다 큰 충전전류를 인가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 커패시터의 충전전류 측정방법.
  11. 제 4항에 있어서, 상기한 전류 계산식을 수정하는 단계는, 실측 전류치 m(t)와 계산 전류치 i(t)간의 일치도를 평가하기 위해, log m(t)－log i(t)와 시간을 좌표축을 따라 플로팅하면서, 2차 곡선근사를 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 커패시터의 충전전류 측정방법.
  12. 제 6항에 있어서, 상기한 전류 계산식을 수정하는 단계는, 실측 전류치 m(t)와 계산 전류치 i(t)간의 일치도를 평가하기 위해, log m(t)/log i(t)와 시간을 좌표축을 따라 플로팅하면서, 2차 곡선근사를 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 커패시터의 충전전류 측정방법.
  13. 제 8항에 있어서, 상기한 전류 계산식을 수정하는 단계는, 실측 전류치 m(t)와 계산 전류치 i(t)간의 일치도를 평가하기 위해, m(t)/i(t)와 시간을 좌표축을 따라 플로팅하면서, 2차 곡선근사를 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 커패시터의 충전전류 측정방법.
  14. 제 4항에 있어서, 상기한 커패시터에 50㎃보다 큰 충전전류를 인가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 커패시터의 충전전류 측정방법.
  15. 제 5항에 있어서, 상기한 커패시터에 50㎃보다 큰 충전전류를 인가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 커패시터의 충전전류 측정방법.
  16. 제 2항 또는 제 3항에 있어서, 상기한 전류 계산식을 수정하는 단계는, 실측 전류치 m(t)와 계산 전류치 i(t)간의 일치도를 평가하기 위해, m(t)－i(t)와 시간을 좌표축을 따라 플로팅하면서, 직선 근사를 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 커패시터의 충전전류 측정방법.
  17. 제 2항 또는 제 3항에 있어서, 상기한 전류 계산식을 수정하는 단계는, 실측 전류치 m(t)와 계산 전류치 i(t)간의 일치도를 평가하기 위해, m(t)－i(t)와 시간을 좌표축을 따라 플로팅하면서, 2차 곡선근사를 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 커패시터의 충전전류 측정방법.
  18. 커패시터에 직류전압을 인가하는 충전장치; 및
    상기한 직류전압 인가시에, 커패시터의 유전분극성분의 충전영역에서 측정된 충전 전류치를 사용하여, 커패시터의 충전시의 전류치를 예측하도록 동작하는 예측 장치
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 커패시터의 충전전류 측정장치.
  19. 제 18항에 있어서, 상기한 예측장치는 상기한 충전전류치를 제 1항 내지 제 17항 중 어느 한 항에 기재된 커패시터의 충전전류 측정방법에 의해 측정하는 것을 특징으로 하는 측정장치.
  20. 제 6항에 있어서, 상기한 커패시터에 50㎃보다 큰 충전전류를 인가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 커패시터의 충전전류 측정방법.
  21. 제 7항에 있어서, 상기한 커패시터에 50㎃보다 큰 충전전류를 인가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 커패시터의 충전전류 측정방법.
  22. 제 8항에 있어서, 상기한 커패시터에 50㎃보다 큰 충전전류를 인가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 커패시터의 충전전류 측정방법.
  23. 제 9항에 있어서, 상기한 커패시터에 50㎃보다 큰 충전전류를 인가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 커패시터의 충전전류 측정방법.
  24. 제 16항에 있어서, 상기한 커패시터에 50㎃보다 큰 충전전류를 인가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 커패시터의 충전전류 측정방법.
  25. 제 17항에 있어서, 상기한 커패시터에 50㎃보다 큰 충전전류를 인가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 커패시터의 충전전류 측정방법.
  26. 제 16항에 있어서, 상기한 전류 계산식을 수정하는 단계는, 실측 전류치 m(t)와 계산 전류치 i(t)간의 일치도를 평가하기 위해, m(t)－i(t)와 시간을 좌표축을 따라 플로팅하면서, 2차 곡선근사를 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 커패시터의 충전전류 측정방법.
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