JP2004200588A - 金属化フィルムコンデンサ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】分割金属蒸着電極5a〜5cをフィルムの幅方向で分割し、分割金属蒸着電極の大きさをメタリコン接続部4に近づくにつれ大きくするため、安全性、長期信頼性の高いコンデンサを得ることができる。
またヒューズ部6a〜6cの幅をメタリコン接続部4に近づくにつれ広くするため、誘電損失が小さく、コンデンサの発熱を抑えることができる。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属化フィルムコンデンサに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
金属化フィルムコンデンサは、誘電体となるプラスチックフィルムの両面に互いに対向して金属蒸着膜の電極を配置した構造であり、誘電損失(tanδ)が小さく、かつ絶縁耐圧が高い等の優れた電気的性質を有している。
【0003】
金属化フィルムコンデンサの特徴の一つに、絶縁破壊を起こしたときに、その放電エネルギーにより破壊点周辺部の金属蒸着電極が飛散し、絶縁が回復する自己回復性機能がある。しかしながら、電圧が高くなり絶縁破壊のエネルギーが大きくなると自己保安性が機能せず、絶縁破壊点が短絡し、コンデンサがショートしてしまう。
【0004】
これを防ぐため、少なくとも誘電体フィルムの片面の金属蒸着電極を分割して複数の分割金属蒸着電極を形成し、この複数の分割金属蒸着電極を細幅の蒸着金属膜からなるヒューズ機能を果すヒューズ部で並列に接続した自己保安機構付金属化フィルムコンデンサが実用化されている。
【0005】
この金属化フィルムコンデンサの自己保安機構について、以下に図4の従来から一般的に用いられている分割金属蒸着電極を用いて説明する。11は誘電体フィルムの片面に金属蒸着した金属化フィルム13の金属蒸着面を、金属化フィルムの長手方向及び幅方向に絶縁を兼ねた分割マージン3により同一面積に区画して形成した複数の分割金属蒸着電極で、12は複数の分割金属蒸着電極11を金属化フィルム13の幅方向に並べて接続したヒューズ機能を果す細幅の蒸着金属膜のヒューズ部である。
【0006】
金属化フィルム13aは幅方向の一端部に長手方向に形成した絶縁マージン2を除く片面全体に金属蒸着してあり、金属化フィルム13と13aは互いに絶縁マージン2が重ならないように反対側に位置して巻回または積層し、両側にメタリコンを形成するメタリコン接続部4を有する。
【0007】
このコンデンサにおいて、絶縁破壊時に自己回復よりも大きな短絡電流が生じた場合、この短絡電流が絶縁破壊の起きた特定の分割金属蒸着電極11に集中して流れ込む。この短絡電流でヒューズ部12が発熱飛散することによりヒューズ機能を果たして、短絡した特定の分割金属蒸着電極11を切り離し、絶縁を回復させる。
【0008】
しかし、保安機構付金属化フィルムコンデンサは、ヒューズ部が切れることにより分割金属蒸着電極が切り離され、有効電極が減少するため長期荷電による静電容量の減少が大きくなる。
【0009】
この問題を解決すべく、既に自己保安性と静電容量の減少抑制を両立させる金属化フィルムコンデンサにおける分割金属蒸着電極の蒸着パターンがいくつか開示されている(例えば、特許文献1参照)。
【0010】
【特許文献1】
特開平10−154630号公報
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の技術の問題点に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、電流発熱と静電容量の減少の小さい金属化フィルムコンデンサを提供することにある。
【0012】
しかし、これらの従来技術は、それぞれの分割金属蒸着電極を小さくすることにより、静電容量の減少を小さくすることを目的としており、短絡電流によるコンデンサの発熱を十分考慮していないものである。一般に、蒸着金属膜は厚さ20〜30ナノメートルと非常に薄いため、抵抗値が高く、メタリコン接続部4から遠くなるにしたがい、メタリコンまでの抵抗は大きくなる。
【0013】
そのため、短絡電流は、メタリコン接続部4に近い分割金属蒸着電極11のところで絶縁破壊が生じた場合、遠いところで生じた場合に比べ大きくなる。すなわち、メタリコン接続部に近いところのヒューズ部は溶断しやすいことになる。この事から、ヒューズ部が切れても静電容量の減少が少なくなるように、メタリコン接続部に近い分割金属蒸着電極の面積を小さくすることが静電容量の減少抑制には有効的である。
【0014】
しかし、分割金属蒸着電極を小さくすると、それぞれの分割金属蒸着電極をつなぐ抵抗値の高いヒューズ部の数が多くなり、誘電損失(tanδ)、すなわち発熱が大きくなる。特に金属化フィルムコンデンサをインバータの平滑用などに用いた場合、コンデンサに流れるリプル電流は数キロHzの高周波となるため、多くの電流が流れるメタリコン接続部の近傍にヒューズ部が多いと、コンデンサの発熱が大きくなる。
【0015】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明者らは、コンデンサの分割金属蒸着電極の形状とヒューズ部の太さについて鋭意研究を重ねた結果、本発明に到達した。
【0016】
第1の手段は、複数の分割金属蒸着電極の面積が、メタリコン接続部に近づくにつれて大きくすることで、電流発熱の小さい金属化フィルムコンデンサを得ることができる。
【0017】
第2の手段は、複数の分割金属蒸着電極を接続したヒューズ部の幅が、メタリコン接続部に近づくにつれて大きくすることで、誘電損失の小さい金属化フィルムコンデンサを得ることができる。
【0018】
第3の手段は、複数の分割金属蒸着電極が、誘電体フィルムの長手方向の寸法を、全て同じにすることで、分割マージンを形成しやすくする。
【0019】
第4の手段は、誘電体フィルムの長手方向に並ぶ分割金属蒸着電極は、メタリコン接続部から遠ざかるにつれて数を多くすることで、連続電圧印加時の静電容量の減少が小さい金属化フィルムコンデンサを得ることができる。
【0020】
【発明の実施の形態】
本発明の目的は各請求項に記載した構成を実施の形態の要部とすることにより達成できるのであるが、以下には請求項1ないし4に対応する具体的な実施の形態を図1〜図3にしたがい説明し、併せて効果について実験例に基き説明する。
【0021】
(実施の形態1)
図1は本発明の実施の形態1における金属化フィルムコンデンサの分割金属蒸着電極のパターンを示す図である。
【0022】
一方の金属化フィルム1は、誘電体フィルムの少なくとも片面に形成した金属蒸着面を、金属を蒸着していない分割マージン3により分割し、誘電体フィルムの幅方向及び長手方向に沿って長方形状の複数の分割金属蒸着電極5a、5b、5cを形成している。
【0023】
そして、複数の分割金属蒸着電極5a〜5cは、金属化フィルム1の幅方向の一端部に、金属化フィルム1の長手方向に沿って形成し、かつメタリコン(図示せず)と接続する金属蒸着のメタリコン接続部4に近づくにつれて金属蒸着面積を大きくしている。すなわち、分割金属蒸着電極5a、5b、5cのそれぞれは、金属蒸着面積の大きさの関係を、メタリコン接続部4と離れている距離で、分割金属蒸着電極5a>分割金属蒸着電極5b>分割金属蒸着電極5cに設定している。
【0024】
また、複数の分割金属蒸着電極5a〜5cは、金属化フィルム1の幅方向にヒューズ部6c、6bで電気的に接続されて並び、かつヒューズ部6aでコンデンサの外部電極を取り出すメタリコン接続部4に電気的に接続している。
【0025】
絶縁マージン2は、一方の金属化フィルム1と片面全体に金属蒸着電極5を有する他方の金属化フィルム1aにおける幅方向の他端部に、金属化フィルム1、1aの長手方向に沿って金属蒸着しないことにより形成され、コンデンサを形成するため一方の金属化フィルム1と他方の金属化フィルム1aを合わせて巻回または積層する際に、互いに絶縁マージン2同士が重ならないように、それぞれが反対側に位置するようにして巻回または積層することで絶縁を図るものである。
【0026】
上記構成の金属化フィルムコンデンサは、厚さ4μm、幅75mmのポリプロピレンフィルムの片面に図1の長方形パターンの分割金属蒸着電極5a〜5cを形成する。ヒューズ部6a〜6cの幅は0.4mm、分割金属蒸着電極5a〜5cの面積比は分割金属蒸着電極5a:分割金属蒸着電極5b:分割金属蒸着電極5c=3:2:1である。
【0027】
このような分割金属蒸着電極5a〜5cのパターン蒸着した一方の金属化フィルム1とパターンのない他方の金属化フィルム1aを重ねて巻取り、メタリコン(亜鉛溶射)によりメタリコン接続部4より外部電極を取り出し金属化フィルムコンデンサを作製した。
【0028】
なお、外部電極を取り出すための金属蒸着のメタリコン接続部4(亜鉛溶射と密着する部分)の抵抗値は4Ω/cm2、分割金属蒸着電極の抵抗値は9Ω/cm2とし、分割金属蒸着電極の蒸着金属はアルミニウムと亜鉛の混合蒸着により形成した。
【0029】
(実施の形態2)
本実施の形態における金属化フィルムコンデンサは、ヒューズ部の構成を除く、コンデンサの基本的な構成並びに作用効果が、実施の形態1の発明と同じなので、図1を利用して詳細な説明を省略し、異なるところを中心に説明する。
【0030】
一方と他方の金属化フィルム1、1aは図1の金属蒸着電極のパターンを用いており、ヒューズ部6a〜6cは、その幅をメタリコン接続部4に近づくにつれて大きく形成している。具体的にはその幅をヒューズ部6aが0.5mm、ヒューズ部6bが0.4mm、ヒューズ部6cが0.3mmとした以外は、実施の形態1に準じてコンデンサを作製した。
【0031】
(実施の形態3)
図2は、本発明の実施の形態3における金属蒸着電極のパターンを示す図である。一方の金属化フィルム7は、誘電体フィルムの少なくとも片面に形成した金属蒸着面を、金属を蒸着していない分割マージン3により分割し、誘電体フィルムの幅方向及び長手方向に沿って長方形状の複数の分割金属蒸着電極7a、7b、7c、7dを形成している。
【0032】
そして、複数の分割金属蒸着電極7a〜7dは、金属化フィルム7の幅方向の一端部に、金属化フィルム7の長手方向に沿って形成し、かつメタリコン(図示せず)と接続する金属蒸着のメタリコン接続部4に近づくにつれて金属蒸着面積を大きくしている。但し、メタリコン接続部4から最も離れている分割金属蒸着電極のところは、実施の形態1と異なり、金属蒸着電極7c、7dの同一面積の二つに分割している。
【0033】
すなわち、分割金属蒸着電極7a、7b、7c、7dのそれぞれは、金属蒸着面積の大きさの関係を、メタリコン接続部4と離れている距離で、分割金属蒸着電極7a>分割金属蒸着電極7b>分割金属蒸着電極7c、分割金属蒸着電極7dに設定している。
【0034】
また、複数の分割金属蒸着電極7a〜7dは、金属化フィルム1の幅方向にヒューズ部8b、8c、8dで電気的に接続されて並び、かつヒューズ部8aでコンデンサの外部電極を取り出すメタリコン接続部4に電気的に接続している。ヒューズ部8a〜8dは、その幅をメタリコン接続部4に近づくにつれて大きく形成している。
【0035】
絶縁マージン2は、一方の金属化フィルム7と片面全体に金属蒸着電極5を有する他方の金属化フィルム70の幅方向の他端部に、金属化フィルム7、70の長手方向に沿って金属蒸着しないことにより形成され、コンデンサを形成するため一方の金属化フィルム7と他方の金属化フィルム70を合わせて巻回または積層する際に、互いに絶縁マージン2同士が重ならないように、それぞれ反対側に位置することで絶縁を図るものである。
【0036】
上記構成の金属化フィルムコンデンサは、図2に示す金属蒸着電極のパターンを用い、そしてヒューズ部の幅を、ヒューズ部8aが0.5mm、ヒューズ部8bが0.3mm、ヒューズ部8cが0.2mm、ヒューズ部8dが0.2mmとし、分割金属蒸着電極7a〜7dの面積比を、分割金属蒸着電極7a:分割金属蒸着電極7b:分割金属蒸着電極7c:分割金属蒸着電極7d=4:3:1:1とした以外は実施の形態1に準じてコンデンサを作製した。
【0037】
(実施の形態4)
本実施の形態における金属化フィルムコンデンサは、実施の形態1〜3の発明における長方形状の分割金属蒸着電極に代え、一方の金属化フィルム9に菱形状の分割金属蒸着電極9a〜9cと三角形状の分割金属蒸着電極9dを、本発明趣旨により、分割金属蒸着電極9a〜9cとヒューズ部10a〜10eを配置したものである。他方の金属化フィルム90は、実施の形態1〜3の発明における他方の金属化フィルムと同じ構成である。
【0038】
上記構成の金属化フィルムコンデンサは、図3に示す金属蒸着電極のパターンを用い、そして、ヒューズ部10a〜10eの幅はヒューズ部10aが0.4mm、ヒューズ部10bが0.3mm、ヒューズ部10cが0.25mm、ヒューズ部10dが0.22mm、ヒューズ部10eが0.2mmとし、分割金属蒸着電極9a、9b、9cの面積比は分割金属蒸着電極9a:分割金属蒸着電極9b:分割金属蒸着電極9c=5:3:2とした以外は実施の形態1に準じてコンデンサを作製した。
【0039】
(比較例1)
比較例1の金属化フィルムコンデンサは、図4に示す従来の分割金属蒸着電極のパターンを用い、ヒューズ部の幅を0.5mmとした以外は実施の形態1に準じてコンデンサを作製した。
【0040】
(比較例2)
比較例2の金属化フィルムコンデンサは、図4に示す従来の分割金属蒸着電極のパターンを用い、ヒューズ部の幅を0・3mmとした以外は実施の形態1に準じてコンデンサを作製した。
【0041】
実施の形態1〜4、比較例1〜2で作製した各金属化フィルムコンデンサの静電容量と、誘電損失(tanδ)と、75℃の温度で、650V(AC)と90℃の温度で、1KV(DC)を通電した時の静電容量の減少が5%を超えた時間と、10kHzで10Armsの電流を流した時のコンデンサの温度上昇値を(表1)に示す。但し、全て5個のコンデンサで試験を行なった。静電容量とtanδは5個の平均値である。温度の測定場所はコンデンサの外周部の中央である。また、(表1)において×印は試験中に1個以上のコンデンサがショートしたことを表している。
【0042】
【表1】
【0043】
(表1)から明らかなように、分割金属蒸着電極の面積が同じで、ヒューズ部の幅が0.5mmの比較例1では、実施の形態1に比べ温度上昇が1.5℃高く、高温でコンデンサがショートした。また、分割金属蒸着電極の面積が同じで、ヒューズ部の幅を0.3mmとした比較例2ではショートはなかったが、温度上昇が大きく、容量減少が5%に達する時間が短かった。
【0044】
実施の形態1では、分割金属蒸着電極5a〜5cの形状は、メタリコン部4に近づくにつれ分割金属蒸着電極の面積を広くしているため、温度上昇が小さく、試験中にショートもないことがわかる。
【0045】
実施の形態2では、メタリコン部に近づくにつれヒューズ部6a〜6cの幅を広くしているため、実施の形態1よりもさらに温度上昇が小さいことがわかる。
【0046】
実施の形態3では、メタリコン接続部4から1番遠い分割金属蒸着電極7c、7dの数をメタリコン接続部4から1番近い分割金属蒸着電極7aの数の2倍にしているため、容量減少が5%に到達する時間が長くなっていることがわかる。
【0047】
実施の形態4では、分割金属蒸着電極9a〜9cの形状を菱形とし、電極面積を小さくしているので、それをつなぐヒューズ部10a〜10eとその数が多く、他の実施の形態に比べ温度上昇が少し大きいが、容量減少が非常に小さいことがわかる。
【0048】
このように本発明によれば、電流発熱の小さく、かつ容量減少が小さく、かつ保安性が高い金属化フィルムコンデンサを得ることができる。
【0049】
なお、フィルムとしてポリプロピレンを用いたが、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリフェニルサルファイド、ポリスチレンなどのプラスチックフィルムでも良いことはいうまでもない。
【0050】
また、蒸着金属としてはアルミニウムと亜鉛の混合蒸着を用いたが、これに限定されるものではなく銀、銅などの金属を単独、もしくは複合して用いても良い。さらに、本実施の形態では、ヒューズ部の幅の割合を0.5mmから0.2mmに設定したが、これに限定されるものではない。分割金属蒸着電極の面積や金属蒸着電極の抵抗値にもよるが、ヒューズ部の幅は0.8mmから0.2mmにするのが好ましい。さらにまた、分割金属蒸着電極の形状として、長方形や菱形を用いたが、これ以外の三角形、正方形や六角形などの多角形、円形などでもよいことはいうまでもない。さらにまた、本実施の形態のコンデンサでは片面に複数の分割金属蒸着電極を形成したものと片面全体に金属蒸着電極を形成したものの、2枚の金属化フィルムを巻回または積層したが、同じ誘電体フィルムにおける表裏の一方の面に分割金属蒸着電極を、他方の面全体に金属蒸着電極を形成し、未蒸着の誘電体フィルムと重ねて巻回または積層しても良い。
【0051】
【発明の効果】
以上のように本発明の請求項1記載の金属化フィルムコンデンサによれば、分割金属蒸着電極の面積が、メタリコン接続部に近づくにつれて大きくなるため、高温耐久性に優れたコンデンサを得ることができる。
【0052】
請求項2記載の金属化フィルムコンデンサによれば、ヒューズ部の幅がメタリコン接続部に近づくにつれ大きくなるため、高周波特性の優れた金属化フィルムコンデンサを得ることができる。
【0053】
請求項3記載の金属化フィルムコンデンサによれば、分割マージンを容易に形成できるので、金属化フィルムコンデンサの生産コストを抑えることができる。
【0054】
請求項4記載の金属化フィルムコンデンサによれば、メタリコン接続部から遠ざかるにつれてフィルム長手方向に並ぶ分割金属蒸着電極の数が多くなるため、長期信頼性の高い金属化フィルムコンデンサを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1および2における金属化フィルムコンデンサの金属蒸着電極パターンを示す図
【図2】本発明の実施の形態3における金属化フィルムコンデンサの金属蒸着電極パターンを示す図
【図3】本発明の実施の形態4における金属化フィルムコンデンサの金属蒸着電極パターンを示す図
【図4】従来の金属化フィルムコンデンサの金属蒸着電極パターンを示す図
【符号の説明】
1、1a、7、70、9、90 金属化フィルム
2 絶縁マージン
3 分割マージン
4 メタリコン接続部
5 金属蒸着電極
5a〜5c、7a〜7d、9a〜9c 分割金属蒸着電極
6a〜6c、8a〜8d、10a〜10e ヒューズ部
Claims (4)
- 別々の誘電体フィルムの片側端部、または同じ誘電体フィルムの表裏両面の片側端部に設けられる絶縁マージンを除き、少なくとも片面に金属蒸着した金属蒸着面を有する金属化フィルムを、それぞれの絶縁マージンが反対側に位置するように巻回または積層し、金属化フィルムの幅方向の両端にメタリコンを形成する金属化フィルムコンデンサであって、前記金属蒸着面は金属化フィルムにおける幅方向の一方の端部にメタリコンと接続するメタリコン接続部と、金属化フィルムの幅方向にヒューズ部で接続されて並ぶ複数の分割金属蒸着電極とを備え、前記複数の分割金属蒸着電極は、前記メタリコン接続部に近づくにつれて金属蒸着面積を大きくしてなる金属化フィルムコンデンサ。
- ヒューズ部はその幅を、メタリコン接続部に近づくにつれて大きくしてなる請求項1記載の金属化フィルムコンデンサ。
- 複数の分割金属蒸着電極は、誘電体フィルムの長手方向の寸法をすべて同一にしてなる請求項1または請求項2記載の金属化フィルムコンデンサ。
- 複数の分割金属蒸着電極は、メタリコン接続部から遠ざかるにしたがい誘電体フィルムの長手方向に並ぶ分割金属蒸着電極の数が多くなる請求項1から3のいずれかに記載の金属化フィルムコンデンサ。
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