JP2005093514A

JP2005093514A - 金属化フィルムコンデンサの製造方法および金属化フィルムコンデンサ

Info

Publication number: JP2005093514A
Application number: JP2003321355A
Authority: JP
Inventors: Toshihiro Sasaki; 敏宏佐々木
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-09-12
Filing date: 2003-09-12
Publication date: 2005-04-07

Abstract

【課題】コンデンサの損失率特性のバラツキ要因を排除し大量生産時、コンデンサ歩留まりを安定した金属化フィルムフィルムコンデンサを提供すること。
【解決手段】金属化フィルムの両面に同極となるように金属蒸着した電極を施した金属化フィルムと、プラスチックフィルムを備えた金属化フィルムフィルムコンデンサにおいて、前記同極の金属蒸着電極の非蒸着部をＹＡＧレーザを用いて形成することを特徴とする金属化フィルムフィルムコンデンサ。
【選択図】図１

Description

本発明は、省エネルギー、機器の小形化、高効率化などの有効な、主として高周波数インバータに用いられる金属化フィルムコンデンサに関するものである。

近年、電気・電子機器において、効率化のみならず小形化・軽量化に伴い高密度実装化が進み、使用部品についてもさらに小形化の要求が強くなってきている。このような背景の中で、近年あらゆる分野で用いられるインバータ回路に用いられる共振用コンデンサは、高周波高電圧が印可され、大きな電流が流れる為、コロナ放電が生じたり、コンデンサが発熱し熱劣化を起こす恐れから電流密度の制約があるなど、設計上の制約があり、小形化や高温下での高周波高電圧での使用が困難とされてきた。

その為、高周波電圧に対する耐電圧が充分であり、コロナ放電を起こさせず、高周波電流による発熱を最小限に抑えることが、高温下での高周波高電圧でコンデンサの使用が許容される設計上の重要ポイントとされてきた。

一般にコンデンサの自己発熱に伴う自己温度上昇ΔＴは次式（１）で表される。

ΔＴ＝（ＥＳＲ×Ｉ²）／（ｈ×Ｓ）・・・・・（１）
ただし、ｈは放熱係数、Ｓはコンデンサの表面積、ＥＳＲはコンデンサの等価直列抵抗（等価直列抵抗はフィルム物性による直列抵抗、リード線抵抗、リード線と素子との接触抵抗、電気抵抗で構成される）、Ｉは通電電流の実効値である。

この数式（１）からコンデンサの自己発熱を小さくするためには、コンデンサの表面積を大きくするか、またはＥＳＲ値を小さくすることであるが、表面積を大きくすることはコンデンサの大形化となるため、ＥＳＲ値をいかに小さくするかが設計上のポイントとなる。

また、昨今のインバータ機器は高効率化の為、動作周波数が３０〜６０ｋＨｚの高周波で使用されると共に、高電圧化、高温下で使用され、高周波高温下でのＥＳＲの低下がもとめられてきた。そこで、コンデンサをインバータ機器に用いる際の発熱を抑えるために、両面蒸着した金属化フィルムを用い、電流を２分割させる方法が提案されている（例えば特許文献１参照）。

ところで一般にコンデンサのプラスチックフィルムとして用いられるポリプロピレンフィルム（以下ＰＰフィルムとよぶ）は、高周波での損失率が０．０１％と低損失率であるので高周波用途として用いられているが、蒸着性が悪く、通常片面にコロナ処理を施した片面蒸着フィルムとしてのみ用いられる。これに対し、蒸着性に優れ、コロナ処理を施さずに両面に蒸着が可能なポリエステルフィルムが両面の蒸着電極の保持用フィルムとして用いられている。しかし、このポリエステルフィルムは、蒸着性が優れているが、高周波損失率が０．３％と高く、高周波用コンデンサの誘電体に適さないフィルムである。

そこで従来では、ポリエチレンテレフタートフィルム（以下ＰＥＴフィルムとよぶ）の両面に同極となるよう蒸着電極を施し、この両面に金属蒸着した金属化ＰＥＴフィルムを、誘電体としてではなく電極のみに用いる構造としたため、電極を２分割させ蒸着電極での発熱を低減した分、コンデンサの表面積を小さくすることが可能になり、さらにコンデンサを小形化させることができていた。

ここで従来の金属化フィルムコンデンサの製造方法に関する技術について図６を用いて説明する。図６に示したものは、第１のプラスチックフィルム３１の両面に蒸着電極３２を設けた両面金属化フィルムと、両面とも金属蒸着しないプラスチックフィルム３３と、前記した両面金属化フィルムのメタリコン電極部３４を対極にして配した両面金属化フィルムと、両面とも金属蒸着しないプラスチックフィルム３３の４枚を１組にして重ねて巻回または積層してなる従来の金属化フィルムコンデンサの断面を示した金属化フィルムコンデンサである。このように第１のプラスチックフィルム３１の両面に設けた電極３２を共に同じ側のメタリコン電極部３４に接続させて同極とし、第１のプラスチックフィルム３１を誘電体としては用いていない。

また、図７に示したものは、その発展型であり、一方の両面金属化フィルム４０ａの一方は、蒸着電極の中央部にマージン３５を設け、両側端部を両側のメタリコン電極部３４に接続させ、もう一方の両面金属化フィルム４０ｂは、蒸着電極の中央部に電極部３２を設け、両側端部にマージン３５を設けた２直列構成とした金属化フィルムコンデンサを示している。

そして、これら従来の両面金属化フィルムにおいて、マージンを形成するために、形成したい部分にオイル塗布またはマスキングテープによって非蒸着部とする部分を設け、続いて真空中で金属を蒸着させることで、蒸着電極３２とマージン３５が形成されるようにしていた。さらにこの工程をフィルム両面に対して行なっていた。
特開平１０−１４４５６４号公報（図１）

しかしながら、上記した両面金属化フィルムを形成するには、１５０ｍ／分の高速でフィルムを走行させながら、最初に、両面のうちの片側面（以下第１面とよぶ）に蒸着を施す部分と、マージンを生成する部分とを形成する。次に、第１面の裏面（以下第２面とよぶ）に同様に、蒸着部とマージンを形成する。

この時、第２面に形成するマージンは、第１面と同じ位置に形成されなければいけないが、現実には、高速でフィルムを走行させている為、走行中のフィルムの蛇行やシワ等の影響で、第１面で形成したマージン位置と第２面に形成するマージン位置寸法差が生じてしまう部分が形成されていた（図６および図７の３６ｂ部分）。すなわち、図６および図７において、第１のプラスチックフィルム３１の、金属蒸着部の両面での寸法差部分３６ｂは、プラスチックフィルムが誘電体として機能してしまう場合があった。

すなわちこの寸法差部分３６ｂでは、片面にしか電極の存在しない部分が生じ、電極フィルムとして用いる予定であった高周波損失率の高い第１のプラスチックフィルム３１（材質はポリエステルフィルム、あるいはＰＥＴフィルム）と、誘電体として用いる第２のプラスチックフィルム３３（材質はＰＰフィルム）とを直列コンデンサを形成することとなり、コンデンサ全体の高周波損失率を高めていた。このため、製造したコンデンサの損失率特性のバラツキ要因となり、大量生産時に、コンデンサ歩留まりの低下をもたらしていた。

また、昨今のインバータ機器は高効率化の為、動作周波数が３０〜６０ｋＨｚで使用されると共に、高電圧化、高温下で使用され、高周波高温下でのＥＳＲの低下が求められ、両面蒸着電極構造での２直列構成の有効電極幅の小さいコンデンサにおいては、第１面で形成したマージン位置と第２面に形成するマージン位置の寸法差の比率が大きくなり直列構成コンデンサの低損失率設計を阻害する要因となっていた。

本発明は、上記従来の問題点を解決するもので、コンデンサの損失率特性のバラツキ要因を排除し大量生産時、コンデンサ歩留まりを安定した金属化フィルムフィルムコンデンサを提供することを目的とする。

更に、高電圧設計で求められる、両面蒸着電極構造での小形化の少なくとも２直列構成の有効電極幅の小さいコンデンサにおいても低損失で高電圧に使用可能な金属化フィルムフィルムコンデンサを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の金属化フィルムコンデンサの製造方法は、第１のプラスチックフィルムの両面に金属蒸着する金属蒸着ステップと、前記第１のプラスチックフィルムの片側の蒸着面の上方からＹＡＧレーザを照射し、前記第１のプラスチックフィルムの両面の端部から蒸着された金属を両面同時に除去し、同寸法のマージンを形成するステップと、前記マージンの形成された第１のプラスチックフィルムと両面とも金属蒸着しない第２のプラスチックフィルムとを重ねて巻回、または積層させるステップとを有するものである。

また、本発明の金属化フィルムコンデンサは、両面に金属蒸着したプラスチックフィルムの片側蒸着面の上方からＹＡＧレーザを照射し、両面の端部から蒸着された金属を両面同時に除去し、同寸法のマージンを形成してなる第１のプラスチックフィルムと、両面とも金属を蒸着しない第２のプラスチックフィルムとを重ねて巻回、または積層させてなるものである。

以上に述べたように、本発明の金属化フィルムフィルムコンデンサによって、コンデンサの損失率特性のバラツキ要因を排除し、大量生産時、コンデンサ歩留まりを安定させることができる。

また、同極の金属蒸着膜が少なくとも２直列の構成となっており、従来困難であった高耐圧の直列コンデンサを設計、製造可能ならしめるものである。

（実施の形態１）
以下、図１および図２を用いて本発明の金属化フィルムコンデンサの製造方法における実施の形態１について説明する。図１は本実施の形態における金属化フィルムコンデンサの製造方法によって製造される両面金属化フィルムを示し、１はＹＡＧレーザ照射装置、２はレーザ光、３は第１のプラスチックフィルム、４および４ａは第１のプラスチックフィルム３の両面に蒸着した蒸着電極、６および６ａは、第１のプラスチックフィルム３両面の端部に形成されるマージンを示す。

このような両面金属化フィルム５の製造方法について説明する。まず、第１のプラスチックフィルム３の両面に金属を真空中で蒸着させる。この時、両面ともマージンを形成しないで蒸着を行い、蒸着電極４および４ａを形成する。続いて、得られた両面蒸着フィルムを走行させながら、マージンを形成したい端部にレーザ光２を照射して、第１面と第２面に同時にマージン６、６ａを形成する。

このマージン６、６ａを形成するにあたっては、図１に示すように、両面金属蒸着したフィルムの片側蒸着面上方にＹＡＧレーザ照射装置１を配し、さらにＹＡＧレーザ照射装置１から照射されるレーザ光２がフィルムの端部を照射するようにＹＡＧレーザ照射装置１とフィルムとの位置関係を調整する。そして、レーザ光２を照射させ、フィルム両面の端部に形成されている蒸着電極を飛散させ、マージン６および６ａを形成する。

なお、このレーザ光２は、第１のプラスチックフィルム３に何ら損傷を与えることなく透過し、確実に両面の金属部だけを除去することができる波長となっている。したがって、レーザ光２によって両面に蒸着された金属を同時に飛散させることができ、工数の削減ができる。

またＹＡＧレーザは指向性がよく、ＹＡＧレーザ照射装置に対する第１のプラスチックフィルム３の位置を精度よく位置決めすることにより、フィルム両面の蒸着金属のマージン６、６ａを極めて高い寸法精度にて形成できる。

なお、ＹＡＧレーザ照射装置１は、フィルム幅方向に精度よく位置決めでき、強固に固定できるテーブルにより位置決め固定させ、レーザ光を照射させながらフィルムを長手方向に送出することで、長手方向に亘って、フィルム幅方向の所定位置に、金属蒸着部を飛散してできるマージンを、両面とも寸法精度良く形成することができる。なお、本実施の形態による方法では、フィルムの送出速度を２００ｍ／分にして連続加工が可能である。

また、ＹＡＧレーザ以外の他の種類のレーザであると、プラスチックフィルムまで溶融させてしまい、使用できない。すなわちＹＡＧレーザを用いることにより、両面金属化フィルムの両面端部の同位置に、同寸法のマージン６、６ａを同時に形成することができる。なお、このような、プラスチックフィルムにほとんど損傷を与えることなく、両面に蒸着させた金属を飛散させることができるのは、ＹＡＧレーザが持つ特有の波長（１．０６μｍ）によるものであり、透過させるプラスチックフィルムの材質、レーザの出力パワー、照射時間等は特に限定されない。

なお、図１では、両面金属化フィルムの両面端部にマージンを形成する例について説明したが、端部に限らず、中央部など任意の位置についても同様に、両面の同位置に、同寸法でマージンを同時に形成することができる。

次に、このようにして形成した金属化フィルムを用いてコンデンサを製造する方法について図２を用いて説明する。

図２は、図１で示す、本実施の形態における金属フィルムの製造方法において製造された金属化フィルムの実施例を示すものであり、７は第２のプラスチックフィルム、８はメタリコン電極を示す。

図２において、３は、図１で説明した第１のプラスチックフィルムであり、材質はＰＥＴフィルムである。そして第１のプラスチックフィルム３は、両面の一方の端部に、同じ側のメタリコン電極８に両面とも接続させて同極となるよう金属蒸着電極４、４ａを施した両面金属化フィルムを形成している。この両面金属化フィルム５と、両面とも金属蒸着しない第２のプラスチックフィルム７（材質はＰＰフィルム）とを重ね合わせ、さらに上記した両面金属化フィルム５を１８０度回転させてメタリコン電極８に接続する部分の電極を対向させて対極となるようにした両面金属化フィルム５と、もう１枚両面とも金属蒸着しないＰＰフィルム７の合計４枚重ねて巻回し、コンデンサ素子を形成している。

また、熱処理後にメタリコン電極８にリード線（図示せず）付けを施し、コンデンサ素子を樹脂ケース（図示せず）に収納し、エポキシ樹脂で硬化させた金属化フィルムコンデンサとしたものである。なお、図２では、分かりやすくするため、フィルム間に隙間を設けているが、実際には、各フィルムは隙間なく圧縮されており、何層にも巻回されている。

このような、本実施の形態の金属化フィルムコンデンサの製造方法により、フィルム幅３２ｍｍ、有効電極幅２５ｍｍとした金属化フィルムコンデンサを実施例１とし、１００台作成した。

この実施例１と比較するため、図６で示す従来の金属化フィルムコンデンサの製造方法により、フィルム幅３２ｍｍ、有効電極幅２５ｍｍとした金属化フィルムコンデンサを従来例１として１００台作成した。

このようにして作成した実施例１と従来例１の金属化フィルムの、両面のマージン位置の寸法差を確認すると、実施例１の両面におけるマージン６、６ａの寸法に有意差は見出されなかった。これに対し、従来例１のフィルムは、長さ方向に数ｍ間隔で、最大０．３ｍｍの寸法差が確認された。

この原因は、従来例１のマージン形成方法が、第１の面のマージン形成予定場所にオイルを吹き付け、真空中で金属を蒸着させることで蒸着電極とマージンを形成し、続いて第２の面に第１の面に形成されたマージン位置に合わせて同様にオイルを吹き付けてから蒸着することで、第２の面にマージンを形成したものであり、両面のマージンを別々の工程で形成するため、マージン寸法を同寸法にするのは困難であるためである。

尚、製作したコンデンサは、実施例１、従来例１共にＤＣ３００Ｖ０．２μＦで、設計基準の高周波損失率は１０ｋＨｚで０．０２％以下である。

次に、これらのコンデンサの高周波損失率を測定したので、その分布結果を図４に示す。図４は、本実施の形態の実施例１と従来例１の各１００個について、横軸に分布個数を取り、縦軸に１０ｋＨｚ時の損失率（ｔａｎδ）を示した図である。

この図４から明らかな様に、本実施の形態の実施例１では、高周波損失率の水準が、設計基準０．０２％に比べて充分小さく、またバラツキも小さく安定した分布を示すのに比べ、従来例１では高周波損失率の水準が高く、高周波損失率が０．０２％を上回るものが発生しており、また分布のバラツキも大きい。

上記したように、従来例１では同極の両面蒸着電極のマージン位置の寸法差の部分が、高周波損失率の高いＰＥＴフィルムと本来誘電体として用いた高周波損失率の低いＰＰフィルムとの直列コンデンサを形成したため、コンデンサ全体の高周波損失率を高め、また、このマージン位置の寸法差がフィルム走行中の蛇行やシワ等の不定期要因のため、バラツキも大きくさせた。

一方、本実施の形態の実施例１のコンデンサでは、マージンをＹＡＧレーザ照射により第１面と第２面を同時に寸法差なく形成出来るため、高周波損失率の高いＰＥＴフィルムが誘電体とならないため、高周波損失率の低いＰＰフィルムのみを誘電体として構成して、高周波損失率の水準を低く保つと共に、不定期な不安定要因も排除出来るため、安定した高周波損失率分布を保つことが可能となった。

なお、本実施の形態では、両面金属化フィルムと金属蒸着しないプラスチックフィルムとを巻回してなるコンデンサの例について示したが、大直径の環状に巻回した母材を径方向に切断して形成される積層型金属化フィルムコンデンサに対しても適用できる。

（実施の形態２）
次に本発明の実施の形態２について図３を用いて説明する。図３は、本発明の実施の形態２における金属化フィルムコンデンサの製造方法によって形成される金属化フィルムコンデンサの断面を示す。

図３において、３は両面に同極となるように金属蒸着電極２を施した第１のプラスチックフィルム（材質はＰＥＴフィルム）、７は誘電体として用いる第２のプラスチックフィルム（材質はＰＰフィルム）である。そして、第１のプラスチックフィルム３の両面に金属蒸着させ、中央部にマージン６、６ａを設けた両面金属化フィルム５と、両面とも金属蒸着しないＰＰフィルム７と、第１のプラスチックフィルム３の両面に金属蒸着させ、両側端部にマージン６、６ａを設けた両面金属化フィルム、両面とも金属蒸着しないＰＰフィルム７、の４枚を重ねて巻回し、コンデンサ素子を形成している。また８は、コンデンサ素子の両端に金属溶射により電極引出部を形成するメタリコン電極である。このように、本実施の形態においては、２直列のコンデンサとしている。

次に、本実施の形態における金属化フィルムの形成方法も、実施の形態１と同様であり、第１のプラスチックフィルム３の第１面と第２面の両面に、両面ともマージンを形成しないで金属を真空中で蒸着させ、続いて、得られた両面蒸着フィルムを走行させながら、マージンを形成したい位置（中央部）にＹＡＧレーザを照射して、蒸着金属を飛散させて第１面と第２面に同時にマージン６、６ａを形成している。

そして熱処理後にメタリコン電極８にリード線（図示せず）付けを施し、前記コンデンサ素子を樹脂ケース（図示せず）に収納し、エポキシ樹脂で硬化させた金属化フィルムコンデンサとしている。

このような方法によって作成した金属化フィルムコンデンサを実施例２として１００台作成した。

尚、製作したコンデンサはＤＣ６００Ｖ０．１μＦで、設計基準の高周波損失率は１０ｋＨｚで０．０２％以下である。

本実施の形態において、両面蒸着後のフィルムを長さ方向にマージン位置の寸法差を確認すると、第１面と第２面におけるマージン位置に、寸法差のある部分は見出されなかった。

これに対し、図７で示す従来の製造方法によって作成した金属化フィルムコンデンサを１００台作成し、従来例２とした。なお、従来例２における金属化フィルムの作成方法は、従来の技術で説明したように、第１の面の所定の場所にオイルを吹き付け、真空中で金属を蒸着させることで、蒸着電極とマージン３５を形成し、続いて第２の面に第１の面に形成されたマージンの位置に合わせて同様にオイルを吹き付けてから蒸着することで、第２の面にマージン３５を形成している。なお、フィルム幅は３２ｍｍとし有効電極幅１０ｍｍの２直列構成である。

そして、従来例２の、両面蒸着後のフィルムのマージン位置の寸法差３６ｂを確認すると、長手方向に数ｍ間隔で最大０．３ｍｍの寸法差が確認された。

これら実施例２、従来例２の各１００台につき、コンデンサの高周波損失率を測定したので、その分布結果を図５に示す。図５は、本実施の形態の実施例２と従来例２の各１００個について、横軸に分布個数を取り、縦軸に１０ｋＨｚ時の損失率（ｔａｎδ）を示した図である。

この図５から明らかな様に、実施例２は実施例１と同様に、高周波損失率の水準とバラツキが小さく、設計基準０．０２％以下の安定した分布を示すのに比べ、従来例２では高周波損失率の水準が高く、バラツキも従来例１に比べ更に大きく高周波損失率が０．０２％を上回るものが多発し、本設計のコンデンサの製造が困難な状況となった。

以上に示したように、２直列構成の従来例２では、マージン位置の寸法差により、高周波損失率の高いＰＥＴフィルムが誘電体として介在する比率が従来例１よりさらに高まり、本設計のコンデンサの製造が困難な状況となった。

一方、本実施の形態の実施例２では、前記マージン位置寸法差が発生しないため、有効電極幅にとらわれないコンデンサの設計、製造が可能となった。

なお、本実施の形態では２直列構成としたが、４直列以上であっても本実施の形態の効果を奏することができる。

なお、本実施の形態では、両面金属化フィルムと金属蒸着しないプラスチックフィルムとを巻回してなるコンデンサの例について示したが、大直径の環状に巻回した母材を径方向に切断してなる積層型金属化フィルムコンデンサに対しても適用できる。

本発明の電気機器は、トランス、リアクトル等の電力設備機器の他広く電気機器一般に利用できる。

本発明の実施の形態１における金属化フィルムの製造方法を示す図本発明の実施の形態１における実施例１の金属化フィルムコンデンサの概略断面図本発明の実施の形態２における実施例２の金属化フィルムコンデンサの概略断面図高周波損失率別に階層別に分けた従来例１と実施例１の比較結果を表す図高周波損失率別に階層別に分けた従来例２と実施例２の比較結果を表す図従来例１の金属化フィルムコンデンサの概略断面図従来例２の金属化フィルムコンデンサの概略断面図

符号の説明

１ＹＡＧレーザ照射装置
２ＹＡＧレーザ
３第１のプラスチックフィルム
４、４ａ蒸着電極
５両面金属化フィルム
６、６ａマージン
７第２のプラスチックフィルム

Claims

第１のプラスチックフィルムの両面に金属蒸着する金属蒸着ステップと、前記第１のプラスチックフィルムの片側の蒸着面の上方からＹＡＧレーザを照射し、前記第１のプラスチックフィルムの両面の端部から蒸着された金属を両面同時に除去し、同寸法のマージンを形成するステップと、前記マージンの形成された第１のプラスチックフィルムと両面とも金属蒸着しない第２のプラスチックフィルムとを重ねて巻回、または積層させるステップとを有する金属化フィルムの製造方法。
第１のプラスチックフィルムの両面に金属蒸着する金属蒸着ステップと、前記第１のプラスチックフィルムの片側の蒸着面の上方からＹＡＧレーザを照射し、前記第１のプラスチックフィルムの蒸着された金属のうち特定位置の蒸着金属を両面同時に除去し、同寸法のマージンを形成するステップと、前記マージンの形成された第１のプラスチックフィルムと両面とも金属を蒸着しない第２のプラスチックフィルムとを重ねて巻回、または積層させるステップとを有する金属化フィルムの製造方法。
両面に金属蒸着したプラスチックフィルムの片側蒸着面の上方からＹＡＧレーザを照射し、両面の端部から蒸着された金属を両面同時に除去し、同寸法のマージンを形成してなる第１のプラスチックフィルムと、両面とも金属を蒸着しない第２のプラスチックフィルムとを重ねて巻回、または積層させてなる金属化フィルムコンデンサ。
両面に金属蒸着したプラスチックフィルムの片側蒸着面の上方からＹＡＧレーザを照射し、蒸着された金属のうち特定位置の蒸着金属を両面同時に除去し、同寸法のマージンを形成してなる第１のプラスチックフィルムと、両面とも金属を蒸着しない第２のプラスチックフィルムとを重ねて巻回、または積層させてなる金属化フィルムコンデンサ。
少なくとも２直列の構成となっている請求項４記載の金属化フィルムコンデンサ。
第１のプラスチックフィルムは、ポリエチレンテレフタートフィルムであり、第２のプラスチックフィルムは、ポリプロピレンフィルムである請求項３から５のいずれかに記載の金属化フィルムコンデンサ。