JP2009277830A

JP2009277830A - 金属化フィルムコンデンサ

Info

Publication number: JP2009277830A
Application number: JP2008126769A
Authority: JP
Inventors: Masahito Sano; 正仁佐野; Masatoshi Shibuya; 正俊渋谷; Yutaka Tanaka; 豊田中
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】亜鉛を主成分とする金属蒸着電極の自己回復性能が高く、発熱が均一で保安性に優れた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】金属化フィルム１５（１６）を、一対の金属蒸着電極１４ａ、１４ｂが誘電体フィルム１１ａ（１１ｂ）を介して対向するように積層または巻回したコンデンサ素子の両端面に電極引出部１５、１６を設けた金属化フィルムコンデンサであって、金属蒸着電極１４ａ、１４ｂは主成分が亜鉛であり、誘電体フィルム１１ａ（１１ｂ）の幅方向において金属蒸着電極１４ａ（１４ｂ）の膜抵抗値が低抵抗部１２ａ（１２ｂ）からマージン部１３ａ（１３ｂ）に向かって連続して増加するとともに、誘電体フィルム１１ａ（１１ｂ）のどの箇所においても一対の金属蒸着電極１４ａ、１４ｂの少なくとも一方が１２Ω／□以上の膜抵抗値を有する金属化フィルムコンデンサとする。
【選択図】図１

Description

本発明は各種電気機器、各種電源回路、通信機器や産業用機器等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。

従来、亜鉛または亜鉛合金を金属蒸着電極として用いた金属化フィルムコンデンサが提案されており、図６はこのような従来の金属化フィルムコンデンサの一例を示す要部断面図である。

図６の金属化フィルムコンデンサは、プラスチックフィルム６１の表面に亜鉛またはアルミニウム−亜鉛の合金により主要部が高抵抗膜部６２、端部が蒸着膜の厚みが厚い低抵抗膜部６３としてなる金属化層６４を形成し、この金属化フィルムを巻回するとともに端部に金属溶射部６５を形成したものである。

なお、本出願の発明に関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。
特開平７−１５３６４２号公報

上記の金属化フィルムコンデンサでは、金属溶射部の膜厚を従来より薄くした蒸着金属低抵抗膜部でＳＨ（自己回復性能）エネルギーを抑制し、ヒューズ溶断電流を小とすることによって高電圧印加時の容量減少を改善できるとされている。

しかしながら、金属化フィルムコンデンサにおいては、電流は主にフィルム幅方向に流れるため、電流密度は金属溶射部６５と接続された低抵抗膜部６３で最も大きく、低抵抗膜部６３と反対側の端部に向かって低くなっていく。

このとき、高抵抗膜部６２の膜厚を薄くして高抵抗にするほど、低抵抗膜部６３との境界で電流密度が急激に変化することになるため、この境界部で電流による発熱量が増大し、ウイークポイントとなりやすく、この境界部が起点となって故障が生じる場合があった。

また、亜鉛を主成分とする金属化層は、酸化されても半導体の酸化亜鉛となるため、膜抵抗値が低いと自己回復性能（絶縁欠陥部で短絡が生じた場合に、短絡のエネルギーで欠陥部周辺の金属蒸着電極が蒸発・飛散して絶縁化し、コンデンサの機能が回復する性能）が不完全となる場合があり、特に低抵抗膜部６３では自己回復性能が働きにくいという課題があった。

そこで本発明は、高抵抗部と低抵抗部の境界部に生じやすいウイークポイントを除去し、さらに亜鉛を主成分とする金属蒸着電極の自己回復性能を高めることにより、保安性に優れた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。

そしてこ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は、誘電体フィルムの片面または両面に金属蒸着電極を設けた金属化フィルムを、一対の前記金属蒸着電極が前記誘電体フィルムを介して対向するように積層または巻回してコンデンサ素子を形成し、前記コンデンサ素子の両端面に電極引出部を設けた金属化フィルムコンデンサであって、前記金属蒸着電極は主成分が亜鉛であり、前記誘電体フィルムの幅方向の一端部に他の部分よりも膜抵抗値が低い低抵抗部を有し、他端部に非金属蒸着部を有するとともに、前記誘電体フィルムの幅方向において前記金属蒸着電極の膜抵抗値が前記低抵抗部から前記非金属蒸着部に向かって連続して変化し、かつ前記誘電体フィルムのどの箇所においても前記一対の金属蒸着電極の少なくとも一方が１２Ω／□以上の膜抵抗値を有することを特徴とする金属化フィルムコンデンサである。

本発明の金属化フィルムコンデンサでは、金属蒸着電極の膜抵抗値が幅方向一端部の低抵抗部から他端部の非金属蒸着部に向かって連続して変化することにより、低抵抗部とその他の高抵抗部との境界に電流密度の急激な変化によるウイークポイントを生じることがない。

さらに誘電体フィルムのどの箇所においても、誘電体フィルムを挟んで対向する一対の金属蒸着電極のうち、少なくともいずれか一方が自己回復性能に優れた１２Ω／□以上の膜抵抗値を有することにより、誘電体フィルムに欠陥があった場合でも、前記一対の金属蒸着電極のどちらかが欠陥周辺で蒸発してコンデンサ機能を回復することができるため、亜鉛を主成分とする金属蒸着電極であっても、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。

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は本実施の形態を示す金属化フィルムコンデンサの要部断面と膜抵抗値の関係を示す模式図であり、誘電体フィルム１１ａの片面には、電極引出部１７ａと接続される一端部の低抵抗部１２ａから他端部の非金属蒸着部であるマージン部１３ａに向かって、亜鉛を主成分とする金属蒸着電極１４ａの膜抵抗値が連続して増加するように形成され、金属化フィルム１５を構成している。

同様に、誘電体フィルム１１ｂの片面にはマージン部１３ｂを除いて亜鉛を主成分とする金属蒸着電極１４ｂが、低抵抗部１２ｂから非金属蒸着部であるマージン部１３ｂに向かって、膜抵抗値が連続して増加する金属蒸着電極１４ｂが形成されて金属化フィルム１６を構成している。

そして金属化フィルム１５と金属化フィルム１６とはマージン部１３ａ、１３ｂが反対位置になり、低抵抗部１２ａとマージン部１３ｂ及びマージン部１３ａと低抵抗部１２ｂとが誘電体フィルム１１ａを挟んで対向するように重ね合わされて巻回されている。すなわち、金属化フィルム１５と金属化フィルム１６とは、２枚の金属化フィルム１５（または１６）を１８０度回転して重ね合わせたのと同じである。

そして巻回された両端面に金属溶射などの方法により、電極引出部１７ａ、１７ｂが形成されている。

本実施の形態の金属化フィルムコンデンサでは、上記のように金属蒸着電極１４ａは低抵抗部１２ａからマージン部１３ａに向かって膜抵抗値が連続して増加するように形成されており、図１のグラフはこの膜抵抗値の増加を模式的に表したものである。

同様に、金属蒸着電極１４ｂも低抵抗部１２ｂからマージン部１３ｂに向かって膜抵抗値が連続して増加するように、金属蒸着電極１４ｂが形成されているが、金属蒸着電極１４ａと逆位置で重ね合わされているため、その膜抵抗値を示すグラフは金属蒸着電極１４ａとは逆になる。

そして、これらの一対の金属蒸着電極１４ａ、１４ｂは、誘電体フィルムのどの箇所においても、少なくともどちらか一方の膜抵抗値が１２Ω／□以上となるように構成されている。

この構成によれば、金属蒸着電極１４ａ（１４ｂ）の膜抵抗値が連続して変化しているため、低抵抗部１２ａ（１２ｂ）と膜抵抗値の高い部分との間の境界がなく、したがって誘電体フィルム１１ａ（１１ｂ）の幅方向に流れる電流がスムーズに変化し、全体の発熱が均一となり、電流の急激な変化によるウイークポイントを生じることがない。

また、誘電体フィルム１１ａ（１１ｂ）のどの箇所においても、誘電体フィルム１１ａ（１１ｂ）を挟んで対向する金属蒸着電極１４ａ、１４ｂのいずれか一方が自己回復性能に優れた１２Ω／□以上の膜抵抗値を有しているため、誘電体フィルム１１ａ、１１ｂに欠陥が発生したとしても、この欠陥の周辺の金属蒸着電極１４ａ、１４ｂのいずれかが蒸発・飛散して欠陥部分が切り離された状態になるため、コンデンサ機能を回復できることになる。

次に、本実施の形態における実施例について詳しく説明する。

まず一対の金属蒸着電極の膜抵抗値と自己回復性能との関係を調べるため、厚み６μｍの誘電体フィルム上に異なる膜抵抗値を有する亜鉛を主成分とする金属蒸着電極を形成した金属化フィルム２枚を用いて膜抵抗値評価用の試料を作製した。

この一対の金属蒸着電極は、単純に膜抵抗値と自己回復性能との関係を調べるため、図２に示すように電極引出部側からマージン部側に至るまで一定の膜抵抗値としている。

すなわち、図２において、誘電体フィルム２１ａ、２１ｂに一定の膜抵抗値を有する金属蒸着電極２４ａ、２４ｂが形成された金属化フィルム２５、２６を重ね合わせて巻回し、その両端面に電極引出部２７ａ、２７ｂを形成して試験用の試料とした。

一対の金属蒸着電極２４ａ、２４ｂの膜抵抗値としては、（表１）に示すように、１０Ω／□、１２Ω／□、１５Ω／□、２０Ω／□、２５Ω／□、３０Ω／□とし、その組み合わせで行った。

この試料について、自己回復性能の指標として、５０Ｖずつステップアップしながら絶縁破壊電圧（以降ＢＤＶと称する）を測定した。この試料の定格電圧は４４０Ｖ、静電容量は６５μＦとした。

ＢＤＶを自己回復機能の指標としたのは、自己回復性能が良く機能するほど、高電圧により生じた欠陥部が発生しても、欠陥部周辺の絶縁性能を回復することができるため、絶縁破壊に至る電圧が高くなるためである。

その結果を（表１）に示す。（表１）の結果から、一対の金属蒸着電極２４ａ、２４ｂの膜抵抗値が両方とも１０Ω／□の試料番号１では、ＢＤＶが１０００Ｖであるのに対して、試料番号２の一方の膜抵抗値が１２Ω／□の場合にはＢＤＶは１２５０Ｖと向上している。

本実施例の試料では、定格電圧が４４０Ｖであるので、ＢＤＶとしては定格電圧の２．５倍（１１００Ｖ）以上であることが求められ、試料番号１は必要なＢＤＶを有していない。

試料番号３では、一対の金属蒸着電極２４ａ、２４ｂの膜抵抗値を１２Ω／□としているが、この場合には試料番号２の一方の膜抵抗値が１２Ω／□の場合と同じでＢＤＶは１２５０Ｖであった。

さらに一対の金属蒸着電極２４ａ、２４ｂの膜抵抗値が１２Ω／□と１５Ω／□の試料番号４と、膜抵抗値が両方とも１５Ω／□の試料番号５ではＢＤＶはさらに向上して１３００Ｖとなっている。

以下、試料番号６、７、８に示すように、膜抵抗値が２０Ω／□、２５Ω／□、３０Ω／□となるにしたがって、ＢＤＶは向上することが確認できた。

この結果から、一対の金属蒸着電極２４ａ、２４ｂのいずれか一方の膜抵抗値を１２Ω／□以上とすることにより、ＢＤＶすなわち自己回復性能を向上できることがわかる。

また、上記のＢＤＶ評価試験に加えて、同じ試料を用いて７０℃の温度下で定格電圧の１．３５倍に相当する６００Ｖの電圧を印加して連続試験を行い、静電容量の変化を評価した。

その結果を図３に示す。図３の結果から、一対の金属蒸着電極２４ａ、２４ｂの膜抵抗値が両方とも１０Ω／□の試料番号１では１０００時間で急激に静電容量が減少している。

これは、膜抵抗値が１０Ω／□と低いため、自己回復性能が不十分で欠陥部周辺の金属蒸着電極２４ａ、２４ｂが飛散しきれず、貫通破壊を起こしてパンクしたものである。

また、膜抵抗値が３０Ω／□の試料番号８では、８００時間で急激に静電容量が減少しているが、これは膜抵抗値が高すぎるために発熱が多くなり、熱による貫通破壊を起こしてパンクするためである。

したがって、膜抵抗値としては１２Ω／□以上で２５Ω／□以下が好ましい。また静電容量変化をより抑制するためには、膜抵抗値は１２Ω／□以上で２０Ω／□以下とするのがさらに好ましい。

以上の結果をもとに、本実施の形態の試料として、図１で金属蒸着電極１４ａ（１４ｂ）の膜抵抗値が低抵抗部１２ａ（１２ｂ）からマージン部１３ａ（１３ｂ）に向かって５Ω／□から２０Ω／□まで連続して変化する金属化フィルム１５と１６が誘電体フィルム１１ａ（１１ｂ）を介して対向するように重ね合わせて巻回し、その両端面に電極引出部１７ａ、１７ｂを形成した試料を作製し、試料番号９とした。

また、従来例として図６に示すように、低抵抗膜部６３の膜抵抗値が５Ω／□で、高抵抗膜部６２の膜抵抗値が１２Ω／□の金属化フィルムを巻回して比較例の試料を作製した。

試料番号９と比較例の試料はどちらも定格電圧４４０Ｖ、静電容量６５μＦのコンデンサとした。

これらの本実施の形態による試料番号９と、比較例の試料について、電流を印加したときの発熱についてシミュレーションによる比較検討を行った。

その結果を図４、図５に示す。図４は試料番号９の発熱量のシミュレーション結果を示すグラフであり、フィルム幅方向にわたって均一な発熱となり、また発熱量が低く抑えられている。

これに対して図５に示すように、比較例の試料ではフィルム幅方向の低抵抗膜部６３と高抵抗膜部６２の境界部付近で温度上昇が大きくなっている。

実際に本実施の形態による試料番号９と比較例の試料について、７０℃の温度下で定格電圧の１．３５倍の６００Ｖの電圧を印加して連続試験を行った結果、比較例の試料では１０００時間で静電容量が著しく低下したのに対して、本実施の形態による試料番号９では静電容量変化率は−１％未満と安定していた。

以上、詳細に説明したように、本発明の金属化フィルムコンデンサは、金属蒸着電極の膜抵抗値が低抵抗部から非金属蒸着部に向かって連続して変化しているため、低抵抗部とその他の高抵抗部との境界部の急激な電流密度の変化をなくすことができ、ウイークポイントのない均一な発熱とすることができるとともに、さらに発熱量を抑制することができる。

また、誘電体フィルムのどの箇所においても、誘電体フィルムを挟んで対向する一対の金属蒸着電極のうち、少なくともいずれか一方が自己回復性能に優れた１２Ω／□以上の膜抵抗値を有することにより、誘電体フィルムに欠陥があった場合でも、前記一対の金属蒸着電極のどちらかが欠陥周辺で蒸発してコンデンサ機能を回復することができるため、亜鉛を主成分とする金属蒸着電極であっても、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という優れた効果を有するものである。

本実施の形態では、別の誘電体フィルム１１ａ、１１ｂに金属蒸着電極１４ａ、１４ｂを形成した２枚の金属化フィルム１５、１６を重ね合わせて巻回した例を示したが、これに限定されるものではなく、例えば誘電体フィルム１１ａの片面に金属蒸着電極１４ａを形成し、反対側の面に金属蒸着電極１４ｂを形成した両面金属化フィルムと、金属蒸着電極を形成していない合わせフィルムとを巻回したものでも同様の効果を得ることができる。

本発明の金属化フィルムコンデンサは、金属蒸着電極の膜抵抗値が低抵抗部から非金属蒸着部に向かって連続して変化することにより、低抵抗部とその他の高抵抗部との境界部に発生しやすい電流密度の急激な変化によるウイークポイントを生じることがない。

さらに誘電体フィルムのどの箇所においても、誘電体フィルムを挟んで対向する一対の金属蒸着電極のうち、少なくともいずれか一方が自己回復性能に優れた１２Ω／□以上の膜抵抗値を有することにより、誘電体フィルムに欠陥があった場合でも、前記一対の金属蒸着電極のどちらかが欠陥周辺で蒸発してコンデンサ機能を回復することができるため、亜鉛を主成分とする金属蒸着電極であっても、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、各種電子機器、産業機器に使用される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要部断面と膜抵抗値の関係を示す模式図膜抵抗値と自己回復性能との関係を調べるための試料の断面模式図膜抵抗値と静電容量変化の関係を説明するためのグラフ本発明の一実施の形態における試料とその発熱シミュレーションを示す図比較例の試料とその発熱シミュレーションを示す図従来の金属化フィルムコンデンサの一例を示す要部断面図

符号の説明

１１ａ、１１ｂ誘電体フィルム
１２ａ、１２ｂ低抵抗部
１３ａ、１３ｂマージン部
１４ａ、１４ｂ金属蒸着電極
１５、１６金属化フィルム
１７ａ、１７ｂ電極引出部
２１ａ、２１ｂ誘電体フィルム
２４ａ、２４ｂ金属蒸着電極
２５、２６金属化フィルム
２７ａ、２７ｂ電極引出部

Claims

誘電体フィルムの片面または両面に金属蒸着電極を設けた金属化フィルムを、一対の前記金属蒸着電極が前記誘電体フィルムを介して対向するように積層または巻回してコンデンサ素子を形成し、前記コンデンサ素子の両端面に電極引出部を設けた金属化フィルムコンデンサであって、前記金属蒸着電極は主成分が亜鉛であり、前記誘電体フィルムの幅方向の一端部に他の部分よりも膜抵抗値が低い低抵抗部を有し、他端部に非金属蒸着部を有するとともに、前記誘電体フィルムの幅方向において前記金属蒸着電極の膜抵抗値が前記低抵抗部から前記非金属蒸着部に向かって連続して変化し、かつ前記誘電体フィルムのどの箇所においても前記一対の金属蒸着電極の少なくとも一方が１２Ω／□以上の膜抵抗値を有することを特徴とする金属化フィルムコンデンサ。