JP2009277829A

JP2009277829A - 金属化フィルムコンデンサ

Info

Publication number: JP2009277829A
Application number: JP2008126768A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Unami; 潔宇波
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2008-05-14
Filing date: 2008-05-14
Publication date: 2009-11-26

Abstract

【課題】直流回路等において長時間使用された場合でも、静電容量の低下が少ない、信頼性の高い金属化フィルムコンデンサを提供することを目的とする。
【解決手段】ポリプロピレンやポリエチレンテレフタレートなどの誘電体フィルム１１に金属蒸着電極１２を形成した金属化フィルム１３と、誘電体フィルム１４に金属蒸着電極１５を形成した金属化フィルム１６が交互になるように重ね合わせて巻回または積層したコンデンサ素子１７において、金属蒸着電極１２はアルミニウムを蒸着して形成し、また金属蒸着電極１５は亜鉛または亜鉛合金を蒸着して形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は各種電子機器、電気機器、産業機器等における直流回路に使用される金属化フィルムコンデンサに関するものである。

図４は従来の金属化フィルムコンデンサの構成を示した断面図であり、図４において、コンデンサケース４１にコンデンサ素子４２が内蔵され、このコンデンサ素子４２には一対のリード線４３が接続されている。

コンデンサケース４１の内部には、充填樹脂４４が充填され、またコンデンサケース４１の内側面とコンデンサ素子４２間には積層板４５が設けられている。

この積層板４５は銅やアルミニウム等の金属箔を十数ミクロン以上の厚さでエポキシ樹脂等の樹脂板に密着させたものである。

このように構成された従来の金属化フィルムコンデンサは、周囲の温度や湿度の変化により金属化フィルムコンデンサの内部へ徐々に浸入する水分の経路を、積層板４５の金属箔で遮断し、水分がコンデンサ素子４２に到達する時間を遅らせることにより、コンデンサ特性の低下を防ぐことができるというものであった。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開２００３−３３８４２４号公報

上記のような金属化フィルムコンデンサでは、水分と電界が同時に作用する耐湿通電試験などにおいて、プラス極（陽極）側の金属蒸着電極を構成するアルミニウムと、水分中の水酸化物イオンとが電気化学反応を起こして、水酸化アルミニウムまたは酸化アルミニウムの膜を形成する場合がある。

これは陽極酸化現象と呼ばれるもので、直流下で使用されるコンデンサでは避けられない現象であり、生成した水酸化アルミニウムまたは酸化アルミニウムは絶縁体であるため、金属化フィルムコンデンサの静電容量が減少してしまうという課題があった。

そこで本発明は、静電容量低下が少なく、信頼性の高い直流用の金属化フィルムコンデンサを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の金属化フィルムコンデンサは、誘電体フィルムの幅方向の片方の端部に金属蒸着電極のないマージン部を残して金属蒸着電極を形成した金属化フィルムを、一対の金属蒸着電極が前記誘電体フィルムを介して対向するとともに、前記マージン部が反対側に位置するように積層または巻回したコンデンサ素子と、このコンデンサ素子の両端面に形成した一対の取出電極を有し、直流で使用される金属化フィルムコンデンサにおいて、前記一対の金属蒸着電極のうち、マイナス極側の金属蒸着電極を構成する金属がアルミニウムであり、プラス極側の金属蒸着電極を構成する金属が亜鉛または亜鉛の合金としたものである。

この構成により、マイナス極側の金属蒸着電極を構成するアルミニウムよりも、プラス極側の金属蒸着電極を構成する亜鉛または亜鉛の合金はイオン化傾向が小さいため酸化されにくく、また酸化されたとしても亜鉛または亜鉛の合金の水酸化物または酸化物は絶縁体ではないため、直流下で長期間使用された場合でも静電容量の低下を防止することができ、信頼性の高い金属化フィルムコンデンサとすることができる。

以下、本発明の金属化フィルムコンデンサについて、一実施の形態および図面を用いて説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の一実施の形態による金属化フィルムコンデンサの構成を示した図であり、ポリプロピレンやポリエチレンテレフタレートなどの誘電体フィルム１１に非蒸着部であるマージン部１２ａを残して第１の金属蒸着電極１２を形成した第１の金属化フィルム１３と、誘電体フィルム１４にマージン部１５ｃを残して第２の金属蒸着電極１５を形成した第２の金属化フィルム１６が交互になるように重ね合わせて、巻回または積層してコンデンサ素子１７としている。

そして第１の金属蒸着電極１２はアルミニウムを蒸着して形成されており、また第２の金属蒸着電極１５は亜鉛または亜鉛合金を蒸着して形成されている。

コンデンサ素子１７の両端面には取出電極１８、１９がメタリコンとよばれる金属溶射などの方法により形成されている。

第２の金属蒸着電極１５には、取出電極１９と接続する側に低抵抗部１５ａが形成されている。この低抵抗部１５ａ以外の部分は、主にコンデンサの静電容量に寄与する部分であり、アクティブ電極部１５ｂと称する。

このコンデンサ素子を電気回路に接続して使用する場合には、第１の金属蒸着電極１２と結合されている取出電極１８を電気回路のマイナス側に接続し、第２の金属蒸着電極１５と結合されている取出電極１９を電気回路のプラス側に接続する。

そしてマイナス極側の金属蒸着電極をアルミニウムで構成し、プラス極側の金属蒸着電極を亜鉛または亜鉛の合金で構成することにより、アルミニウムよりもイオン化傾向が小さい亜鉛または亜鉛の合金は酸化されにくく、また酸化されたとしても亜鉛または亜鉛の合金の水酸化物または酸化物は絶縁体ではないため、直流下で長期間使用された場合でも静電容量の低下を防止することができ、信頼性の高い金属化フィルムコンデンサとすることができる。

次に具体的な実施例について詳しく説明する。

まずマイナス極側の金属蒸着電極を構成する金属とプラス極側の金属蒸着電極を構成する金属との組み合わせによる効果を確認するため、（表１）に示す組み合わせで第１の金属蒸着電極１２を形成した第１の金属化フィルム１３と、第２の金属蒸着電極１５を形成した第２の金属化フィルム１６が交互になるように重ね合わせて巻回または積層してコンデンサ素子１７を形成し、このコンデンサ素子１７の両端面に取出電極１８、１９を形成して試料番号１〜３の試料とした。

第１の金属蒸着電極１２の膜抵抗値は２Ω／□〜５Ω／□の範囲内となるように蒸着膜を形成し、また第２の金属蒸着電極１５の低抵抗部１５ａの膜抵抗値が２〜７Ω／□の範囲内で、それ以外のアクティブ電極部１５ｂの膜抵抗値が１０〜２０Ω／□の範囲内となるように蒸着膜を形成した。

試料番号１は本実施の形態による試料であり、試料番号２〜３は比較例としての試料である。これらの試料はいずれも定格電圧がＤＣ５００Ｖ、静電容量は１００μＦである。

これらの試料番号１〜３について、８０℃の温度下で定格電圧ＤＣ５００Ｖの２倍（１０００Ｖ）の直流電圧を連続して印加し、静電容量の変化率を測定した結果を図２に示す。

図２から明らかなように、本実施の形態によるマイナス極側の第１の金属蒸着電極１２がアルミニウムで、プラス極側の第２の金属蒸着電極１５がアルミニウム−亜鉛合金とした試料番号１では２０００時間でも静電容量の変化率は−２．０％と小さい。

これに対して、試料番号１とは反対にアルミニウム−亜鉛合金の第２の金属蒸着電極１５をマイナス極側とし、アルミニウムの第１の金属蒸着電極１２をプラス極側とした比較例の試料番号２では、静電容量の変化率は２０００時間で−８％と大きくなっている。

また、プラス極側、マイナス極側ともにアルミニウムとした比較例の試料番号３では２０００時間で−１９％とさらに静電容量変化率が大きくなっている。

この試料番号３の場合は、いずれの金属蒸着電極にも低抵抗部は形成していない。

以上の結果より、マイナス極側の金属蒸着電極をアルミニウムで構成し、プラス極側の金属蒸着電極を亜鉛の合金で構成することにより、アルミニウムよりもイオン化傾向が小さい亜鉛合金は酸化されにくく、また酸化されたとしても亜鉛合金の水酸化物または酸化物は絶縁体ではないため、直流下で長期間使用された場合でも静電容量の低下を防止することができることが解る。

次に、第２の金属蒸着電極１５の低抵抗部１５ａとアクティブ電極部１５ｂの膜抵抗値についての検討を行った。

低抵抗部１５ａの膜抵抗値を２〜７Ω／□の範囲内で一定とし、アクティブ電極部１５ｂの抵抗値範囲を１０〜２０Ω／□（上記試料番号１）、２０〜３０Ω／□（試料番号４）、３０〜４０Ω／□（試料番号５）、５〜１０Ω／□（試料番号６）の範囲内で蒸着した試料を作成した。

これらの試料について、上記と同様に８０℃の温度下で定格電圧ＤＣ５００Ｖの２倍（１０００Ｖ）の直流電圧を連続して印加し、静電容量の変化率を測定した。

その結果を図３に示す。また、５０Ｖステップで電圧を上げながら昇圧破壊試験を行い、試料番号１、４、５、６についておのおの５個の試料の破壊電圧を測定した結果について（表２）に示す。

図３の結果より、アクティブ電極部１５ｂの膜抵抗値が１０〜２０Ω／□の範囲内である試料番号１では２０００時間の静電容量変化率は−２％と極めて小さい。

これに対して、アクティブ電極部１５ｂの膜抵抗値を２０〜３０Ω／□とした試料番号４では２０００時間の静電容量変化率が−５％とやや大きくなっている。

さらに、アクティブ電極部１５ｂの膜抵抗値を３０〜４０Ω／□の範囲内で形成した試料番号５では２０００時間後の静電容量変化率は−１５％と大きくなっている。

これは、アクティブ電極部１５ｂの膜抵抗値が２０Ω／□以上と大きく（膜厚が薄く）なりすぎると、アクティブ電極部１５ｂの自己回復性能が過敏になりすぎ、蒸着膜が容易に蒸発飛散するためと考えられる。

また、アクティブ電極部１５ｂの膜抵抗値が５〜１０Ω／□の範囲内とした試料番号６では、１５００時間経過後電圧破壊を起こした。

これは、アクティブ電極部１５ｂの膜抵抗値が１０Ω／□以下と低すぎると、自己回復性能が十分機能せず、半ショート状態で通電が継続されるため電圧破壊を起こしたものと考えられる。

また、（表２）の結果より、試料番号１、４、５はいずれも破壊電圧が３０００Ｖ以上であるのに対して、アクティブ電極部１５ｂの膜抵抗値が低い試料番号６では２０００Ｖ程度と低くなっている。

以上の結果より、アクティブ電極部１５ｂの膜抵抗値は１０〜２０Ω／□の範囲内とすることが望ましい。

誘電体フィルムに欠陥部があった場合、この欠陥部周辺の金属蒸着電極が蒸発して絶縁性が確保されるという自己回復機能（セルフヒーリング）が亜鉛または亜鉛合金では作動しにくい。

本実施の形態では、この亜鉛合金の第２の金属蒸着電極１５のアクティブ電極部１５ｂの膜抵抗値を１０〜２０Ω／□とすることにより、自己回復機能を高めたものということができる。

ここで、亜鉛合金の膜抵抗値を１０〜２０Ω／□とした場合には、取出電極１９との電気的接合が大電流を印加する場合には不十分になる場合があるので、この亜鉛合金による金属蒸着電極の一方の端部に２〜７Ω／□の低抵抗部１５ａを設けたものである。

そして、この低抵抗部１５ａの膜抵抗値が２Ω／□未満の場合には、膜厚が厚くなりすぎるため誘電体フィルムが蒸着時の熱ダメージを受け、誘電体フィルムの耐電圧性能が低下しやすくなる。

さらに、低抵抗部１５ａの膜抵抗値が２Ω／□未満と低い場合には、この低抵抗部１５ａの近辺で絶縁破壊が起こったときに、膜抵抗値が低すぎるために自己回復性能が十分働かず、破壊箇所に継続的な電流が流れ、破壊箇所がより大きくなって最終的には短絡や絶縁破壊に至りやすくなるという不具合がある。

膜抵抗値が７Ω／□を越える場合には、取出電極１９との電気的接合が不十分になりやすく、また充放電の繰り返しによって低抵抗部１５ａ近辺の蒸着金属が飛散するということが起こり、取出電極１９との電気的接合がさらに不十分になるという不具合が生じやすい。

したがって、低抵抗部１５ａの膜抵抗値は２〜７Ω／□が望ましい。

以上説明したように、本実施の形態の金属化フィルムコンデンサは、マイナス極側の金属蒸着電極をアルミニウムで構成し、プラス極側の金属蒸着電極を亜鉛の合金で構成したものであり、マイナス極側の金属蒸着電極を構成するアルミニウムよりも、プラス極側の金属蒸着電極を構成する亜鉛の合金はイオン化傾向が小さいため酸化されにくく、また酸化されたとしても亜鉛の合金の水酸化物または酸化物は絶縁体ではないため、直流下で長期間使用された場合でも静電容量の低下を防止することができ、信頼性の高い金属化フィルムコンデンサとすることができる。

さらに、通常の単純な直流ではなく、ゼロ電位に対して非対称な波形の電圧・電流が印加されるコンデンサや、直流に大きなリップル電流が重畳された電流が印加されるコンデンサなどのコンデンサにおいて、本発明の効果はより大きく発揮されるものである。

また、プラス極側とマイナス極側の金属蒸着電極を構成する金属を亜鉛または亜鉛の合金と、アルミニウムという異金属としたことにより、自己回復機能（セルフヒーリング性）を確保したまま金属蒸着電極のプラス極側での酸化による影響を低減できるため、電位傾度を上げることができる。さらにこのことにより、金属化フィルムコンデンサを小型化することができるという優れた効果を有するものである。

なお、本実施の形態では、プラス極側の第２の金属蒸着電極１５を構成する金属として亜鉛とアルミニウムの合金を用いた例を示したが、これに限定されるものではなく、亜鉛を用いた場合にも同様の効果を得ることができる。

プラス極側の第２の金属蒸着電極１５を構成する金属として亜鉛とアルミニウムの合金を用いた場合には、亜鉛のみを用いた場合に比べて誘電体フィルム１４への金属蒸着電極の密着性が向上し、静電容量の変化率をより小さくすることができるため、より好ましい。

また、アルミニウムの含有量が１０％を超えた場合には、アルミニウムの酸化により静電容量の変化率が大きくなるとともに、ｔａｎδが増加する。

したがって、亜鉛合金の組成としては、アルミニウム含有量が０を含まず１０％以下であることが好ましい。

本発明の金属化フィルムコンデンサは、誘電体フィルムを介して対向する一対の金属蒸着電極のうち、マイナス極側の金属蒸着電極を構成する金属がアルミニウムであり、プラス極側の金属蒸着電極を構成する金属が亜鉛または亜鉛の合金としたものであり、マイナス極側の金属蒸着電極を構成するアルミニウムよりも、プラス極側の金属蒸着電極を構成する亜鉛または亜鉛の合金はイオン化傾向が小さいため酸化されにくく、また酸化されたとしても亜鉛または亜鉛の合金の水酸化物または酸化物は絶縁体ではないため、直流下で長期間使用された場合でも静電容量の低下を防止して信頼性の高い金属化フィルムコンデンサを提供することができるため、直流回路用のコンデンサ等に有用である。

本発明の一実施の形態における金属化フィルムコンデンサの断面図同静電容量変化率を示すグラフ同静電容量変化率を示すグラフ従来の金属化フィルムコンデンサの断面図

符号の説明

１１、１４誘電体フィルム
１２第１の金属蒸着電極
１２ａマージン部
１３第１の金属化フィルム
１５第２の金属蒸着電極
１５ａ低抵抗部
１５ｂアクティブ電極部
１５ｃマージン部
１６第２の金属化フィルム
１７コンデンサ素子
１８、１９取出電極

Claims

誘電体フィルムの幅方向の片方の端部に金属蒸着電極のないマージン部を残して金属蒸着電極を形成した金属化フィルムを、一対の金属蒸着電極が前記誘電体フィルムを介して対向するとともに、前記マージン部が反対側に位置するように積層または巻回したコンデンサ素子と、このコンデンサ素子の両端面に形成した一対の取出電極を有し、直流で使用される金属化フィルムコンデンサにおいて、前記一対の金属蒸着電極のうち、マイナス極側の金属蒸着電極を構成する金属がアルミニウムであり、プラス極側の金属蒸着電極を構成する金属が亜鉛または亜鉛の合金であることを特徴とする金属化フィルムコンデンサ。
前記プラス極側の金属蒸着電極はフィルム幅方向の片方の端部に、他の部分の金属蒸着電極より低い膜抵抗値を有する低抵抗部を設けたものであり、前記低抵抗部の膜抵抗値が２〜７Ω／□で他の部分の金属蒸着電極の膜抵抗値が１０〜２０Ω／□である請求項１に記載の金属化フィルムコンデンサ。