電解コンデンサの寿命の見方——JIS C 5101-4 の耐久性試験時間と推定寿命、保守部品の発注

電解コンデンサの寿命が、調達の問題になる理由

アルミ電解コンデンサは、電源装置やインバータ、制御機器の基板に多く使われる部品で、寿命が有限であることが知られている。表面技術の解説（1990 年）は、アルミ電解コンデンサの寿命は主として静電容量の減少、損失（tan δ）の増加、漏れ電流の増加などの特性劣化によって決まり、摩耗故障の形態をとると説明している^[4]。使い始めてから時間とともに特性が落ちていき、どこかで機器の性能を保てなくなる、という壊れ方である。

そのため、部品として電解コンデンサを買う場合も、電源装置や制御盤のように電解コンデンサを含む機器を買う場合も、「何年使えるか」を発注の段階で確かめておかないと、保守の計画が立たない。この記事では、JIS の耐久性試験の数字の読み方と、発注書・仕様書に書く項目、受入と保守部品の扱いを、発注側の目線でまとめる。

JIS C 5101-4 の耐久性試験：「2,000 時間」は何の時間か

JIS C 5101-4（電子機器用固定コンデンサ－第 4 部：品種別通則－固定アルミニウム固体（MnO₂）及び非固体電解コンデンサ）は、主に電子機器用の直流回路に用いるアルミ電解コンデンサについて規定し、長寿命等級と一般等級の両方に適用する^[1]。表面実装用は対象外で、JIS C 5101-18 が規定している^[1]。

カテゴリ上限温度（設計上、連続的に使用できる周囲温度範囲の上限）は、＋85 ℃、＋100 ℃、＋105 ℃、＋125 ℃から選ぶ^[1][2]。耐久性試験は、このカテゴリ上限温度で、個別規格に規定が無ければ定格電圧を印加して行い、試験時間は長寿命等級なら 2,000・3,000・5,000・7,000・10,000 時間、一般等級なら 1,000 時間か 2,000 時間から選んで個別規格に規定する^[1]。リプル電流を重ねて試験する場合は、ピーク電圧を定格直流電圧以下、リプル電流を規定値以下とする^[1]。表面実装用の JIS C 5101-18 では、試験時間は 1,000 時間または個別規格に規定の時間である^[3]。

つまりカタログの「105 ℃ 2,000 時間」は、105 ℃ の中で 2,000 時間（約 83 日）定格電圧を掛け続けても、試験後の特性が規格の基準に入っている、という意味である。2,000 時間で壊れるという意味でも、2,000 時間しか使えないという意味でもない。

試験後の合格基準は「特性が落ちてよい範囲」

耐久性試験の後に求める特性は、静電容量の変化、損失角の正接（tan δ）、インピーダンス、漏れ電流などである。非固体電解コンデンサについて、JIS C 5101-4 の表 3 から主な基準を抜き出すと次のようになる^[1]。

定格電圧 6.3 V 以下の区分では、長寿命等級が −30〜＋15 %、一般等級が −40〜＋25 % である^[1]。この表から分かるのは、規格の「寿命」は、特性が初期値から一定の範囲まで落ちた状態を許して決めているということである。機器の回路が静電容量の 20 % 減少を許さない設計なら、カタログの試験時間の終わりより前に、機器側の不具合が出ることがある。回路がどこまでの劣化を許すかは設計側が決め、その値を仕様書に書いておく（当方の提案）。

出荷ロットの成績証明書について、JIS C 5101-4 は、個別規格に規定があり、かつ購入者から要求がある場合に出荷者が提出するとし、耐久性試験後に要求する特性値は静電容量の変化、tan δ、漏れ電流としている^[1]。求めない限り出てこない書類である。

実際の使用条件での寿命は「推定」である

使う温度での寿命は、耐久性試験の時間から推定して求める。先の解説は、温度と寿命の間にはアレニウスの法則に基づいた関係があるといわれ、その根拠は、特性劣化の主要因が電解液の蒸発であり、この蒸発が封口体の中の電解液の拡散に支配されていることだと説明している^[4]。そのうえで同じ解説は、大容量品になると、封口体の性能のほか、電極材料の純度、誘電体皮膜や電解液の安定性、セパレータ紙の性能なども特性劣化に関係し、劣化の要因は錯綜していてメカニズムも複雑・多様であると述べている^[4]。温度だけで寿命が決まるとは限らない、ということである。

推定の式は製造業者が示している。あるメーカーの技術資料（導電性高分子アルミ固体電解コンデンサ向け）は、推定寿命の算出に 10 ℃ 2 倍則を用い、カテゴリ上限温度での規定寿命に、上限温度と実使用時の周囲温度の差 10 ℃ ごとに 2 倍の係数を掛け、リプル電流による自己温度上昇の分を差し引く式を示している。同じ資料は、周囲温度 40 ℃ 以下の場合は 40 ℃ として推定するよう求めている^[7]。これは一つのメーカーの、特定の品種についての式で、規格の式ではない。品種によって式も上限も違うので、使う品種の製造業者の資料で確かめる。

先の解説の式は、温度差 10 ℃ ごとに加速係数を掛ける形である^[4]。この係数を 2 と置いて使っているのが、先のメーカーの資料の式（導電性高分子品向け）である^[7]。仮にこの資料の式の形を借りて、105 ℃ 2,000 時間の品種を、周囲 65 ℃・自己温度上昇なしとして当てはめると、2,000 時間 × 2⁴ ＝ 32,000 時間で、24 時間連続なら約 3.7 年になる（式の形を示す計算の例であり、品種ごとの推定値でも保証値でもない）。同じ式で 45 ℃ とすれば 2,000 × 2⁶ ＝ 128,000 時間になる。この式では、周りの温度が 20 ℃ 違うだけで推定は 4 倍変わる。逆に言えば、機器の中でコンデンサの近くに熱源があるか、周囲温度を何度と見るかで、推定の年数は大きく動く。

この推定には限界もある。JIS C 5003（電子部品の故障率試験方法通則）は、故障率加速係数を「二つの異なったストレスで試験したとき、故障原因が変らない場合」の故障率の比として定義している^[6]。温度を上げた試験の結果から低い温度の寿命を推定できるのは、高温でも低温でも劣化の原因が同じである場合に限られる。JIS C 5101-1 も、加速試験の結果の信頼性データへの「変換」は通常、製造業者の責任であり、自ら加速試験の結果を使いたい場合は関連する部品の適切な加速係数を考慮する、としている^[2]。発注側が自分で式を当てはめて年数を決めるより、製造業者に推定とその前提を出してもらうほうが筋がよい。

「寿命」と「故障率」は別のもの

JIS C 5003 の故障率試験は、原則として期待される寿命期間中に一定の故障率を合理的に仮定できる部品に適用する^[6]。故障率は、寿命の期間中に偶然起きる故障の割合で、特性が少しずつ落ちていって寿命が尽きる摩耗の話とは別である。カタログや信頼性の資料で「故障率」と「推定寿命」が並んでいるときは、どちらの話かを分けて読む。

リプル電流と tan δ：自分で熱を出す部品である

電解コンデンサは、流れるリプル電流（直流に重なる交流の成分）によって自分で発熱する。電気化学の解説（1990 年）は、コンデンサは内部に等価直列抵抗をもち、その分だけ内部で電力が消費されるので、tan δ で表されるこの抵抗分は交流回路、とくに高周波・高電圧・大容量で使われる際に内部の発熱量を左右し、寿命と機器の性能・信頼性に直接関係すると説明している^[5]。同じ解説は、電圧・温度・周波数・リプル電流などの使用条件によって電気特性と寿命がかなり変化するので、使用可能な温度範囲・電圧・周波数領域・許容リプル電流などが制限される、と述べている^[5]。

JIS C 5101-4 は、定格リプル電流を、カテゴリ上限温度での周波数 100 Hz または 120 Hz の値として個別規格に規定するとし、スイッチング電源用のコンデンサだけは適用する周波数で規定するとしている。その値はコンデンサの外形寸法や tan δ、許容温度上昇値などに関係すると注記している^[1]。カタログの定格リプル電流が何 Hz の値かを確かめ、実際の周波数と違う場合の扱いを製造業者の資料で確かめる。仕様書には、実際に流れるリプル電流の大きさと周波数を書く。

使ってはいけない使い方：極性と電圧

アルミ電解コンデンサには極性がある。JIS C 5101-4 は、表示の内容に端子の極性を含め、電源回路の整流器に直接接続するコンデンサ素子の端子は番号 1 または赤色で表示するとしている^[1]。逆電圧の試験は「要求がある場合」の試験で、非固体電解コンデンサなら個別規格に規定が無い場合 1 V の直流電圧を逆方向に掛けるものである^[1]。つまり、逆方向の電圧に耐えることは一般には前提にされていない。基板の組立で極性を逆に実装したり、定格電圧を超える電圧が掛かる回路に使ったりしないことを、組立の仕入先との取り決めに入れ、受入の検査項目に極性の確認を入れる（当方の提案）。

JIS C 5101-4 は、圧力弁の試験を「要求がある場合」の試験とし、圧力弁は爆発または発火の危険なしに作動しなければならないとしている^[1]。圧力弁は異常なときに内圧を逃がすための仕組みである。弁が作動したときに周囲の部品へ影響が出ないよう、機器の設計で配置を決めておく（当方の提案）。

発注書・仕様書に書く項目

機器を買う場合は、電解コンデンサの交換を前提にした保守ができる構造か（基板ごとの交換か、部品の交換か）も確かめておく。制御盤や電源ユニットとして買うなら、盤の中でコンデンサの近くが何度になるかの想定を仕入先と合わせる。

受け入れるとき、保守部品を確保するときに確かめること

JIS C 5101-4 は、コンデンサ本体に、公称静電容量、定格電圧、カテゴリ電圧とカテゴリ温度、端子の極性、公称静電容量許容差、製造年月（または製造年週）を明瞭に表示しなければならないとしている^[1]。受入では、カテゴリ温度と製造年月の表示を見る。カテゴリ上限温度 85 ℃ の品種が 105 ℃ の品種の代わりに入っていないか、極端に古い製造年月のものが混ざっていないかを確かめる。

保守用に買い置きする場合は、製造年月で先入れ先出しを守り、保管の温度と期間の条件を製造業者に確かめる。長く保管した電解コンデンサを使う前の扱い（電圧処理の要否など）も、製造業者の推奨に従う（当方の提案）。生産終了の知らせの受け取り方と最終購入の数量の決め方は汎用・レガシー半導体の長期確保で扱った。正規の経路以外から買う場合の注意は電子部品の模倣品を避ける調達を参照してほしい。

注文書・仕様書の書き方の例

部品として買う場合を例に、ここまでの項目をまとめると次のようになる。様式は自社のものでよい。

「品名：アルミニウム電解コンデンサ（JIS C 5101-4 長寿命等級相当）、定格電圧○ V、公称静電容量○ μF。カテゴリ上限温度 105 ℃、カテゴリ上限温度での耐久性試験時間 5,000 時間以上。使用条件：コンデンサ近傍の周囲温度 最高 55 ℃、リプル電流 ○ A（○ kHz）、通電 24 時間・年 300 日。必要寿命 10 年。上記条件での推定寿命の計算書（式・前提温度・自己温度上昇）を提出すること。品種・製造業者の変更は事前承認を要する。」

よくある質問

「105 ℃ 2,000 時間」の部品は、2,000 時間（約 3 か月）で交換が必要ですか

そうではない。2,000 時間は、カテゴリ上限温度の 105 ℃ で定格電圧を掛け続ける耐久性試験の時間である^[1]。使う温度での寿命は、製造業者が示す推定の方法で求める。周囲温度が低いほど推定は長くなるが、その推定には前提がある^[4][7]。

周囲温度が低い場所なら、計算上いくらでも長く使えますか

計算の式をそのまま延ばすことはできない。あるメーカーの導電性高分子品向けの資料は、40 ℃ 以下を 40 ℃ として推定するよう求めている^[7]。ほかの品種の下限は、その品種の製造業者の資料で確かめる。加速係数は故障の原因が変わらない場合に成り立つもので^[6]、推定は製造業者の責任で行うものとされている^[2]。

仕入先が同じ容量・電圧の別メーカー品に替えたいと言ってきました

容量と電圧が同じでも、カテゴリ上限温度、耐久性の試験時間、定格リプル電流、tan δ が違えば、同じ条件での推定寿命は変わる。替える前に、これらの値と、自社の使用条件での推定寿命を出させてから承認する。

まとめ

電解コンデンサのカタログの「105 ℃ 2,000 時間」は、カテゴリ上限温度で定格電圧を掛け続ける耐久性試験の時間で、使える年数ではない。JIS C 5101-4 は、長寿命等級で 2,000〜10,000 時間、一般等級で 1,000 時間か 2,000 時間から試験時間を選び、試験後の静電容量の変化や tan δ の範囲を決めている。使用条件での寿命は、加速試験の結果から製造業者が推定するもので、10 ℃ 2 倍則のような式は、ある製造業者が特定の品種について示したものとして、その前提つきで使う。発注側は、コンデンサ近くの周囲温度、リプル電流の大きさと周波数、通電時間、必要な年数を書き、推定寿命の計算とその前提を出してもらう。極性と電圧は組立と受入で確かめ、保守部品は製造年月で管理する。

同じ束では、リミットスイッチの選び方、ステッピングモーターの選び方、端子台の選び方、ケーブルグランドの選び方も扱う。

出典・参考資料

1. JIS C 5101-4:2019 電子機器用固定コンデンサ－第４部：品種別通則－固定アルミニウム固体（ＭｎＯ₂）及び非固体電解コンデンサ（日本産業標準調査会 JIS 検索で閲覧／2019 年 3 月 20 日改正）
2. JIS C 5101-1:2023 電子機器用固定コンデンサ－第１部：品目別通則（日本産業標準調査会 JIS 検索で閲覧／2023 年 11 月 20 日改正）
3. JIS C 5101-18:2019 電子機器用固定コンデンサ－第１８部：品種別通則－表面実装用固定アルミニウム固体（ＭｎＯ₂）及び非固体電解コンデンサ（日本産業標準調査会 JIS 検索で閲覧／2019 年 3 月 20 日改正）
4. 神崎信義・島谷涼一・高橋寛・徳舛弘幸「アルミ電解コンデンサにおける長寿命化とバリヤー皮膜」表面技術 41 巻 8 号（解説）（表面技術協会／1990 年）
5. 加藤正義「電解コンデンサ」電気化学および工業物理化学 58 巻 9 号（電気化学会／1990 年）
6. JIS C 5003:1974 電子部品の故障率試験方法通則（日本産業標準調査会 JIS 検索で閲覧／1974 年 7 月 1 日改正・2024 年 10 月 21 日確認）
7. 日本ケミコン「導電性高分子アルミ固体電解コンデンサの推定寿命について」（メーカーの技術資料）（日本ケミコン／発行年月の記載なし）

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