JP2010062410A

JP2010062410A - 金属化フィルムコンデンサ

Info

Publication number: JP2010062410A
Application number: JP2008227943A
Authority: JP
Inventors: Yukikazu Ochi; 幸和大地
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2008-09-05
Filing date: 2008-09-05
Publication date: 2010-03-18

Abstract

【課題】自動車用分野等に使用される金属化フィルムコンデンサに関し、耐湿性の向上と自己回復機能の安定化を両立することを目的とする。
【解決手段】誘電体フィルム１の幅方向の一端側に絶縁マージン３を長手方向に連続して設け、この絶縁マージン３を除く部分に金属蒸着電極２を形成し、この金属蒸着電極２上に２〜５０体積％の水素を含有する酸化ケイ素膜または二酸化ケイ素膜からなる保護膜５を形成した金属化フィルムを用いた構成により、柔軟性のある緻密な膜が形成されるため、有機系オイルからなる保護膜よりも被覆性が良好なために耐湿性、耐食性が向上し、また、無機系金属酸化物からなる保護膜より薄くても耐食性改善効果があるために自己回復機能を低下させることがなくなり、耐湿性、耐食性の向上と、自己回復機能、自己保安機構の動作性の安定化を両立できる。
【選択図】図１

Description

本発明は各種電子機器、電気機器、産業機器、自動車等に使用され、特に、ハイブリッド自動車のモータ駆動用インバータ回路の平滑用、フィルタ用、スナバ用に最適な金属化フィルムコンデンサに関するものである。

近年、環境保護の観点から、あらゆる電気機器がインバータ回路で制御され、省エネルギー化、高効率化が進められている。中でも自動車業界においては、電気モータとエンジンで走行するハイブリッド車（以下、ＨＥＶと呼ぶ）が市場導入される等、地球環境に優しく、省エネルギー化、高効率化に関する技術の開発が活発化している。

このようなＨＥＶ用の電気モータは使用電圧領域が数百ボルトと高いため、このような電気モータに関連して使用されるコンデンサとして、高耐電圧で低損失の電気特性を有する金属化フィルムコンデンサが注目されており、更に市場におけるメンテナンスフリー化の要望からも極めて寿命が長い金属化フィルムコンデンサを採用する傾向が目立っている。

そして、このような金属化フィルムコンデンサは、一般に金属箔を電極に用いるものと、誘電体フィルム上に設けた蒸着金属を電極に用いるものとに大別される。中でも、蒸着金属を電極（以下、金属蒸着電極と呼ぶ）とする金属化フィルムコンデンサは、金属箔のものに比べて電極の占める体積が小さく小型軽量化が図れることと、金属蒸着電極特有の自己回復機能（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）により絶縁破壊に対する信頼性が高いことから、従来から広く用いられているものである。

図３はこの種の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、図４は同金属化フィルムコンデンサに使用される第１蒸着電極の平面図、図５は同第２蒸着電極の平面図であり、図３〜図５において、１１はポリプロピレンフィルム等の誘電体フィルム１３の片面上にアルミニウムを蒸着した第１蒸着電極であり、この第１蒸着電極１１は、容量形成部１１ａと、メタリコン部１５とのコンタクト部１１ｂから構成され、かつ、図４に示すように、分割スリット１６により四角形の格子状に分割された分割電極１９と、各分割電極１９を並列接続するヒューズ１７とを有するものである。

また、１２はポリプロピレンフィルム等の誘電体フィルム１８の片面全体にアルミニウムを蒸着した第２蒸着電極であり、この第２蒸着電極１２は、容量形成部１２ａと、メタリコン部１５とのコンタクト部１２ｂから構成され、分割スリットは有しておらず、かつ、第２蒸着電極１２の容量形成部１２ａの膜抵抗値は、図３に示すように膜厚を第１蒸着電極１１ａより薄くして第１蒸着電極１１ａの膜抵抗値よりも高く設定しているものである。なお、１４は絶縁マージンである。

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、第２蒸着電極１２の容量形成部１２ａの膜抵抗値を、第１蒸着電極１１の容量形成部１１ａの膜抵抗値よりも高くすることにより、容量減少の小さい金属化フィルムコンデンサを実現することができるというものであった（特許文献１）。

また、図６は上記図３に示した金属化フィルムコンデンサの蒸着電極の酸化や腐食を防止する目的で、表面にオイル保護膜を形成する製造装置のオイル保護膜形成部近傍を拡大した断面図であり、図６において、２３ａはフィルム２３が走行する方向、２４は蒸着膜、２５はオイルタンク、２６はオイル、２７は加熱ヒータ、２８はオイル蒸気、２９は温度センサ、３０は圧力センサ、３１はノズル、３２はオイル被膜を示し、このようにオイル保護膜形成部は、円筒状のオイルタンク２５の内部にオイル２６、加熱ヒータ２７、温度センサ２９および圧力センサ３０が収納されているものである。

このように構成されたオイル保護膜形成部は、加熱ヒータ２７により加熱されたオイル２６がオイル蒸気２８となってノズル３１から噴出し、矢印２３ａの方向へ走行するフィルム２３に設けられた蒸着膜２４の表面にオイル被膜３２を形成するものである。なお、温度センサ２９と圧力センサ３０は、オイルタンク２５内部の温度と圧力をモニタリングするものであり、特に圧力センサ３０により、長尺のフィルムを金属化する場合であっても、蒸着中のオイル噴出量を一定に保ち、均一なオイル保護膜を形成することができるというものであった（特許文献２）。
特開２００４−９５６０４号公報特許第３７６７５０５号公報

しかしながら上記従来の金属化フィルムコンデンサでは、金属化フィルムを構成する金属蒸着電極の酸化や腐食を防止して、耐湿性、耐食性を向上させる目的で、誘電体フィルム上に形成された金属蒸着電極の表面に有機系オイルからなる保護膜を形成する技術が一般に知られており、また、実際に利用されているものであるが、このようなオイル保護膜は、ある程度の耐湿性、耐食性の向上は図れるものの、過酷な使用環境から高い性能が要求される自動車用分野のコンデンサとしては十分ではなく、更なる性能向上が必要であるという課題があった。

従って、このような課題を解決する目的で、特開昭６２−２７７７１２号公報には、図７に示すように、片面を金属化したポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート等のプラスチックフィルム４１を用い、この片面に蒸着電極４２を形成した片面金属化プラスチックフィルムの両面に５０Å〜１０００ÅのＳｉＯ、ＳｉＯ₂、ガラス、Ａｌ₂Ｏ₃、ＢｅＯ、ＭｇＯ、ＴｉＯ、ＴｉＯ₂、ＢａＯ、ＣａＯ、ＣｅＯ₂、Ｔａ₂Ｏ₃、Ｔａ₂Ｏ₅、ＷＯ₃、ＭｏＯ₃、ＺｒＯ₂またはＭｏＯ₂の少なくとも１層よりなる酸化物絶縁層４３を形成するという技術が提案されている。なお、４４はメタリコンである。

これにより、コロナ放電を抑制し、ｔａｎδを低くすると共に、耐湿性の向上をも図ることができるということが記載されているが、このような無機系金属酸化物からなる保護膜は、高い耐湿性、耐食性を発揮することはできるものの、金属蒸着電極特有の自己回復機能や、金属蒸着電極に分割電極を設け、この分割電極をヒューズで接続することにより構成される自己保安機構の動作性が低下するという問題があるため、同様に自動車分野のコンデンサとしては採用できないという課題があった。

更に、上記無機系金属酸化物からなる保護膜は、無機系金属からなる基材を蒸発させてプラスチックフィルムの表面に金属酸化物からなる保護膜を形成するという方法で作製されるものであるが、上記基材の蒸発のためには１３００〜１５００℃という極めて高い温度に基材を加熱する必要があるために、この温度によりプラスチックフィルムにダメージを与えてしまうことから、成膜が極めて難しいという課題もあった（参考として、プラスチックフィルムにアルミニウムの蒸着電極を形成する際の加熱温度は約６００℃である）。

本発明はこのような従来の課題を解決し、耐湿性、耐食性の向上と、自己回復機能、自己保安機構の動作性の安定化を両立することが可能な、優れた性能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ものである。

上記課題を解決するために本発明は、誘電体フィルムの幅方向の一端側に非金属蒸着部からなる絶縁マージンを長手方向に連続して設け、この絶縁マージンを除く部分に金属蒸着電極を形成し、この金属蒸着電極上に２〜５０体積％の水素を含有する酸化ケイ素膜または二酸化ケイ素膜からなる保護膜を形成した金属化フィルムを用いた構成にしたものである。

以上のように本発明による金属化フィルムコンデンサは、金属蒸着電極上に２〜５０体積％の水素を含有する酸化ケイ素膜または二酸化ケイ素膜からなる保護膜を形成した構成により、柔軟性のある緻密な膜が形成されるため、有機系オイルからなる保護膜よりも被覆性が良好なために耐湿性、耐食性が向上し、また、無機系金属酸化物からなる保護膜より柔軟性のあるピンホールの少ない膜が形成され、薄くても耐食性改善効果が得られるために自己回復機能を低下させることがなくなり、これにより、耐湿性、耐食性の向上と、自己回復機能、自己保安機構の動作性の安定化を両立することができるようになるという効果が得られるものである。

また、上記２〜５０体積％の水素を含有する酸化ケイ素膜または二酸化ケイ素膜は有機系の保護膜であり、この保護膜は真空中あるいは大気中で気相成膜させることによって作製することができるため、無機系金属酸化物からなる保護膜のように金属化フィルムにダメージを与えることもなく、安定した成膜が可能であるという効果も得られるものである。

（実施の形態１）
以下、実施の形態１を用いて、本発明の特に請求項１〜６に記載の発明について説明する。

図１は本発明の実施の形態１による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１において、１はポリプロピレンフィルム等からなる誘電体フィルム、２はこの誘電体フィルム１の片面上に一端の絶縁マージン３を除いてアルミニウムの金属を蒸着することにより形成された金属蒸着電極、４は上記絶縁マージン３と異なる側の端部に設けた低抵抗部であり、これにより金属化フィルムが形成されているものである。

なお、上記低抵抗部４は上記金属蒸着電極２を厚く形成することによって抵抗値を低くしたものであり、この低抵抗部４は金属蒸着電極２と同様にアルミニウムを用いて形成しても良いし、亜鉛を用いて形成しても良いものである。

また、上記金属蒸着電極２には、図示はしないが、上記背景技術の項で図４を用いて説明した金属化フィルムのように、分割電極と、この分割電極をヒューズで接続することにより構成される自己保安機構が設けられているものである。

５はこの金属化フィルムに形成された金属蒸着電極２ならびに低抵抗部４の表面に設けられた保護膜であり、この保護膜５は、２〜５０体積％の水素を含有する酸化ケイ素膜または二酸化ケイ素膜からなるものであり、金属化フィルムを一定方向に走行させながら真空中で気相成膜させること等によって緻密な膜を形成することができるものである。

なお、この保護膜５の形成においては、炭化ケイ素系ガスまたは炭化水素系ガスとケイ素系ガスの混合ガスを気相成膜することにより得ることができるものである。

また、このような保護膜５は、上記金属蒸着電極２を形成するアルミニウムの酸化や腐食を防止して耐湿性を向上させることを目的としており、特に、自動車用に使用されるコンデンサ等のような高抵抗（１５〜５０Ωが主体）のものは、金属蒸着電極２の厚みが薄い（５〜５０ｎｍが主体）ために有効なものであり、この保護膜５は絶縁マージン３を除く金属蒸着電極２の表面のみに形成されているものであり、マスク方式等の公知の方法を用いて、上記絶縁マージン３に保護膜５が付着しないようにしているものである。

そして、このように形成された金属化フィルムを一対とし、上記金属蒸着電極２が誘電体フィルム１を介して対向するように重ね合わせた状態で巻回し、両端面に亜鉛を溶射したメタリコン電極６を形成することによって本実施の形態による金属化フィルムコンデンサが構成されているものである。

このように構成された本実施の形態による金属化フィルムコンデンサの耐湿性、自己回復性を確認する目的で以下のサンプルを作製し、各サンプルの性能を評価した結果を（表１）に示す。

（実施例１）
厚みが４．０μｍのポリプロピレンフィルム（以下、ＰＰフィルムと呼ぶ）を誘電体フィルムとして用い、このＰＰフィルムに厚みが３０ｎｍの金属蒸着電極を形成し、この金属蒸着電極上に、２〜５０体積％の水素を含有する酸化ケイ素膜または二酸化ケイ素膜からなる厚みが５．０ｎｍの保護膜を形成した。

（実施例２）
誘電体フィルムとして厚みが３．５μｍのＰＰフィルムを用い、このＰＰフィルムに厚みが２０ｎｍの金属蒸着電極を形成し、この金属蒸着電極上に、２〜５０体積％の水素を含有する酸化ケイ素膜または二酸化ケイ素膜からなる厚みが５０．０ｎｍの保護膜を形成した。

（実施例３）
誘電体フィルムとして厚みが２．５μｍのＰＰフィルムを用い、このＰＰフィルムに厚みが１２ｎｍの金属蒸着電極を形成し、この金属蒸着電極上に、２〜５０体積％の水素を含有する酸化ケイ素膜または二酸化ケイ素膜からなる厚みが１０．０ｎｍの保護膜を形成した。

（実施例４）
誘電体フィルムとして厚みが２．５μｍのＰＰフィルムを用い、このＰＰフィルムに厚みが１２ｎｍの金属蒸着電極を形成し、この金属蒸着電極上に、２〜５０体積％の水素を含有する酸化ケイ素膜または二酸化ケイ素膜からなる厚みが０．５ｎｍの保護膜を形成した。

（実施例５）
誘電体フィルムとして厚みが２．５μｍのＰＰフィルムを用い、このＰＰフィルムに厚みが１２ｎｍの金属蒸着電極を形成し、この金属蒸着電極上に、２〜５０体積％の水素を含有する酸化ケイ素膜または二酸化ケイ素膜からなる厚みが６０．０ｎｍの保護膜を形成した。

（実施例６）
誘電体フィルムとして厚みが１０．０μｍのＰＰフィルムを用い、このＰＰフィルムに厚みが１２ｎｍの金属蒸着電極を形成し、この金属蒸着電極上に、２〜５０体積％の水素を含有する酸化ケイ素膜または二酸化ケイ素膜からなる厚みが１０．０ｎｍの保護膜を形成した。

（比較例１）
誘電体フィルムとして厚みが４．０μｍのＰＰフィルムを用い、このＰＰフィルムに厚みが２０ｎｍの金属蒸着電極を形成し、この金属蒸着電極上に厚みが５．０ｎｍの有機系オイルからなる保護膜を形成した。

（比較例２）
誘電体フィルムとして厚みが４．０μｍのＰＰフィルムを用い、このＰＰフィルムに厚みが２０ｎｍの金属蒸着電極を形成し、この金属蒸着電極上に厚みが１０．０ｎｍの無機系金属酸化物からなる保護膜を形成した。

なお、耐湿性試験は、８５℃、８５％ＲＨ環境下で５００Ｖを連続印加し、コンデンサの容量変化率が−３％低下するまでの時間を測定した。また、自己回復性試験は、１００℃の環境下で５００Ｖ印加した場合の金属化フィルムの自己回復性の有無を確認した。

（表１）から明らかなように、本実施の形態による金属化フィルムコンデンサは、金属蒸着電極２上に２〜５０体積％の水素を含有する酸化ケイ素膜または二酸化ケイ素膜からなる保護膜５を形成した構成により、柔軟性のある緻密な膜が形成され、比較例１の有機系オイルからなる保護膜よりも被覆性が良好なために耐食性が向上し、また、比較例２の無機系金属酸化物からなる保護膜より薄くても、ある程度の膜厚があれば耐食性改善効果があるために自己回復機能を低下させることがなくなり、これにより、耐湿性、耐食性の向上と、自己回復機能、自己保安機構の動作性の安定化を両立することができるようになるという格別の効果を奏することが分かるものである。また、比較例２の無機系金属酸化物からなる保護膜は結晶性が高いため、金属化フィルムコンデンサの自己回復機能を阻害しているものである。

なお、上記２〜５０体積％の水素を含有する酸化ケイ素膜または二酸化ケイ素膜からなる保護膜５の厚みは、好ましくは１ｎｍ〜１μｍの範囲であるが、２〜５０体積％の水素を含有する酸化ケイ素膜または二酸化ケイ素膜からなる保護膜５を必要以上の厚みに形成した実施例５においては、自己回復性が低下するために好ましくないことが分かり、また、実施例４のように薄すぎると耐湿性が悪化することから、２〜５０体積％の水素を含有する酸化ケイ素膜または二酸化ケイ素膜からなる保護膜５の最適な厚みは５〜５０ｎｍの範囲であると言える。

また、本実施の形態による金属化フィルムコンデンサは、誘電体フィルム１の厚みや金属蒸着電極２の厚みに関係なく、耐湿性、耐食性の向上と、自己回復機能、自己保安機構の動作性の安定化を両立することができることから、誘電体フィルム１の厚みの好ましい範囲は１〜５０μｍ、金属蒸着電極２の厚みの好ましい範囲は５〜１００ｎｍであるが、特に自動車用のコンデンサとして要求される小型軽量化と大容量化の観点からは、誘電体フィルム１の最適な厚みは１〜５μｍ、金属蒸着電極２の最適な厚みは５〜５０ｎｍの範囲であると言えるものである。

なお、本実施の形態においては、誘電体フィルム１としてＰＰフィルムを用いた構成を例にして説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリフェニレンサルファイト（ＰＰＳ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等の無機フィラーを含有した誘電体フィルムを用いることも可能なものであり、これらの誘電体フィルムを用いた場合でも同様の効果が得られるものである。

（実施の形態２）
以下、実施の形態２を用いて、本発明の特に請求項７に記載の発明について説明する。

本実施の形態は、上記実施の形態１で図１を用いて説明した金属化フィルムコンデンサに使用される金属化フィルムの構成が一部異なるようにしたものであり、これ以外の構成は実施の形態１と同様であるために同一部分には同一の符号を付与してその詳細な説明は省略し、異なる部分についてのみ以下に図面を用いて詳細に説明する。

図２は本発明の実施の形態２による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２において、７は上記実施の形態１と同様に形成された２〜５０体積％の水素を含有する酸化ケイ素膜または二酸化ケイ素膜からなる保護膜であり、この保護膜７は、金属蒸着電極２上ならびに絶縁マージン３上にも形成されたものである。

このように構成された本実施の形態による金属化フィルムコンデンサは、上記実施の形態１による金属化フィルムコンデンサにより得られる効果に加え、保護膜７を金属蒸着電極２上ならびに絶縁マージン３上にも形成した構成により、上記保護膜７を形成する際に、絶縁マージン３上に保護膜７が形成されないようにするためのマスキング等の作業が不用になり、これにより、作業工程の削減によるコストダウンを図ることができるようになるという格別の効果を奏するものである。

なお、このような構成を実現するためには、上記２〜５０体積％の水素を含有する酸化ケイ素膜または二酸化ケイ素膜からなる保護膜７は非導電性のものを使用することが必要である。

本発明による金属化フィルムコンデンサは、耐湿性、耐食性の向上と、自己回復機能、自己保安機構の動作性の安定化を両立することができるという効果を有し、特に高い性能が要求される自動車分野等のコンデンサとして有用である。

本発明の実施の形態１による金属化フィルムコンデンサの構成を示した断面図本発明の実施の形態２による金属化フィルムコンデンサの構成を示した断面図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同金属化フィルムコンデンサに使用される第１蒸着電極の平面図同金属化フィルムコンデンサに使用される第２蒸着電極の平面図同金属化フィルムコンデンサに使用される金属化フィルムの表面にオイル保護膜を形成する製造装置のオイル保護膜形成部近傍を拡大した断面図従来の金属化フィルムコンデンサの構成を示した要部断面図

符号の説明

１誘電体フィルム
２金属蒸着電極
３絶縁マージン
４低抵抗部
５、７保護膜
６メタリコン電極

Claims

誘電体フィルム上に金属蒸着電極を形成した金属化フィルムを一対とし、上記金属蒸着電極が誘電体フィルムを介して対向するように重ね合わせて巻回した素子と、この素子の両端面に金属溶射によって形成された一対のメタリコン電極からなる金属化フィルムコンデンサにおいて、上記金属化フィルムとして、誘電体フィルムの幅方向の一端側に非金属蒸着部からなる絶縁マージンを長手方向に連続して設け、この絶縁マージンを除く部分に金属蒸着電極を形成し、この金属蒸着電極上に２〜５０体積％の水素を含有する酸化ケイ素膜または二酸化ケイ素膜からなる保護膜を形成した金属化フィルムコンデンサ。
金属化フィルムを構成する金属蒸着電極に分割電極を設け、この分割電極をヒューズで接続することにより構成される自己保安機構を設けた請求項１に記載の金属化フィルムコンデンサ。
金属化フィルムを構成する金属蒸着電極上に形成された２〜５０体積％の水素を含有する酸化ケイ素膜または二酸化ケイ素膜からなる保護膜の厚みが５〜５０ｎｍである請求項１または２に記載の金属化フィルムコンデンサ。
金属化フィルムを構成する誘電体フィルムの厚みが１〜５μｍである請求項１または２に記載の金属化フィルムコンデンサ。
金属化フィルムを構成する金属蒸着電極の厚みが５〜５０ｎｍである請求項１または２に記載の金属化フィルムコンデンサ。
金属化フィルムの一端側に設けた絶縁マージンと異なる側の端部に、金属蒸着電極を厚く形成して抵抗値を低くした低抵抗部を設けた請求項１または２に記載の金属化フィルムコンデンサ。
金属化フィルムを構成する金属蒸着電極上に形成する２〜５０体積％の水素を含有する酸化ケイ素膜または二酸化ケイ素膜からなる保護膜を、絶縁マージンならびに金属蒸着電極上に形成した請求項１または２に記載の金属化フィルムコンデンサ。