JP2015050253A

JP2015050253A - 金属化フィルム

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Publication number: JP2015050253A
Application number: JP2013179716A
Authority: JP
Inventors: 康平長谷; Kohei Hase; 陽介宮尾; Yosuke Miyao
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-08-30
Filing date: 2013-08-30
Publication date: 2015-03-16
Anticipated expiration: 2033-08-30
Also published as: JP5954280B2

Abstract

【課題】ヒューズ部を備えた非蒸着スリットにて複数のセグメントに分割されてなる金属化フィルムに関し、電流密度の均一化が図られ、損失低減効果の高い金属化フィルムを提供する。
【解決手段】誘電体フィルム１とその一側面に形成された金属蒸着膜２からなる金属化フィルム１０であって、金属蒸着膜２には、円弧状の第１の非蒸着スリット３と、第１の非蒸着スリット３よりも円弧の半径が小さな円弧状の第２の非蒸着スリット４と、が交互に連続してなる波形の非蒸着スリット５が複数形成されており、第１の非蒸着スリット３の円弧の半径をR_large (mm)、第２の非蒸着スリット４の円弧の半径をR_small (mm)とした際に、以下２つの関係式を満たし、 R_large/ R_small≧60、R_large・R_small≦0.5(mm²)、第１の非蒸着スリット３の途中に蒸着部分であるヒューズ部６が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属化フィルムコンデンサを構成する金属化フィルムに関するものである。

たとえば車両用のインバータ回路等には耐電圧が高く、温度特性や周波数特性に優れた金属化フィルムコンデンサが適用されている。従来の金属化フィルムコンデンサは、金属化フィルムを巻き回してなる巻回し型や金属化フィルムを積層してなる積層型のものが一般的であり、たとえばその一例として図４で示すような構造を有している。すなわち、図示する金属化フィルムコンデンサＣは、金属化フィルムｃが巻装されてなる金属化フィルム柱体Ｋと、その両端の２つの電極取り出し面に形成された金属溶射部ｅ，ｅ（メタリコン電極）と、この金属溶射部ｅにはんだ層ｇにて接続された外部引き出し端子ｆ（バスバー）とから大略構成されている。ここで、金属化フィルムｃは、金属蒸着膜ｂが誘電体フィルムａの一側面に形成されて構成され、この金属化フィルムｃを２枚積層して一組とし（２枚一対の金属化フィルムｄ）、この２枚一対の金属化フィルムｄを巻き回すことで金属化フィルム柱体Ｋが形成される。

一組の金属化フィルムｃの一方の誘電体フィルムａの一側面に形成された金属蒸着膜ｂは、その長手方向に沿う一方端が一方の金属溶射部ｅに密着しており、その長手方向に沿う他方端には、他方の金属溶射部ｅから絶縁されるべく、数mm程度の隙間領域（絶縁マージンｍｇ）が設けられている。また、金属蒸着膜ｂのうちで金属溶射部ｅに密着している端部は、電極接触を保証するために他の部位よりも厚めのいわゆるヘビーエッジとなっており、たとえば、金属蒸着膜の一般部の厚みが数十nm程度である場合に、ヘビーエッジの厚みはその倍程度に調整されている。なお、金属化フィルムコンデンサＣがさらに不図示のケース内に収容され、ケース内に形成された不図示のモールド樹脂体にて封止された構造のものも一般的である。

この金属化フィルムｃとしては、図５で示すように、金属蒸着膜ｂに波形の非蒸着スリットｓが形成され、この非蒸着スリットｓにて金属蒸着膜ｂが複数のセグメントｓｇに分割された形態が一般的に用いられている。

非蒸着スリットｓには波形の連続線を区切るヒューズ部ｆｓ（この部分は蒸着部分である）が存在しており、ヒューズ部ｆｓを介して隣接するセグメントｓｇ同士が電気的に導通可能な状態となっている。

ヒューズ部ｆｓはあるセグメントｓｇが絶縁破壊状態となった際にこのセグメントｓｇと隣接するセグメントｓｇの導通を遮断する機能を備えている。すなわち、あるセグメントｓｇにおける誘電体が欠損等することで絶縁破壊が生じ、下層のセグメントｓｇと導通してしまう絶縁破壊が生じると、ヒューズ部ｆｓを介して絶縁破壊状態のセグメントｓｇに流入する電流量が増加する。ヒューズ部ｆｓを流れる電流量が増加することによってヒューズ部ｆｓの温度が上昇してヒューズ部ｆｓの金属蒸着膜が蒸発飛散し、結果として絶縁破壊状態のセグメントｓｇは隣接するセグメントｓｇから隔離される。このように、絶縁破壊状態にあるセグメントｓｇを隣接するセグメントｓｇから隔離してフィルムコンデンサの絶縁破壊状態を解消する機能は自己回復機能と称されている。

ここで、特許文献１には、円弧形状の第一スリットとこれを反転させた第二のスリットが幅方向に沿って交互に接続された波型形状の非蒸着スリットに関し、波型形状の非蒸着スリットが幅方向に直交する長手方向に沿って、隣接する非蒸着スリットと交差しないように反転しながら複数形成され、ヒューズ部が、第一、第二のスリットの接続点と、隣り合う非蒸着スリット間の距離が最も狭くなる狭隘部とから形成されている金属蒸着フィルムが記載されている。

ところで、上記するヒューズ部の作動によって絶縁破壊状態のセグメントが切り離されて金属化フィルムが自己回復した際には、一部のセグメントが切り離されることで総電極面積が低下することから、コンデンサの静電容量が低下する。このような絶縁破壊が生じた際の静電容量の低下を抑制する方策として、各セグメントの面積を小さくすることが挙げられる。しかしながら、各セグメントの面積を小さくすることによってセグメントの総数が増加し、セグメントの総数増加にともなってヒューズ部の数も増加することになる。

蒸着電極において電流はヒューズ部で集約し、拡散することになるが、この過程で電流が流れ難い箇所が電極上に生じる結果、ヒューズ部の近傍では電流密度の粗密が発生する。この電流密度の粗密は蒸着電極全体としての電流密度の均一性を損なう要因となり、ジュール損失の増加に繋がる（ジュール損失は電気抵抗と電流の二乗の積から算定できる）。したがって、ヒューズ部の数が増加することはコンデンサの総損失の増加要因となることから、セグメントの総数を増加させることは得策ではない。なお、上記する特許文献１で開示される金属蒸着フィルムを適用した場合にも同様の課題が生じ得る。

特開２０１２−９９７４７号公報

本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、ヒューズ部を備えた非蒸着スリットにて複数のセグメントに分割されてなる金属化フィルムに関し、電流密度の均一化が図られ、損失低減効果の高い金属化フィルムを提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明による金属化フィルムコンデンサは、誘電体フィルムとその一側面に形成された金属蒸着膜からなる金属化フィルムであって、金属蒸着膜には、円弧状の第１の非蒸着スリットと、第１の非蒸着スリットよりも円弧の半径が小さな円弧状の第２の非蒸着スリットと、が交互に連続してなる波形の非蒸着スリットが複数形成されており、第１の非蒸着スリットの円弧の半径をR_large (mm)、第２の非蒸着スリットの円弧の半径をR_small(mm)とした際に、以下２つの関係式を満たし、
・ R_large / R_small≧60
・ R_large・R_small≦0.5(mm²)
第１の非蒸着スリットの途中に蒸着部分であるヒューズ部が形成されているものである。

本発明の金属化フィルムは、２つの半径の円弧状の非蒸着スリット（たとえば半円形状）が交互に連続してなる波形の非蒸着スリットを有するものにおいて、相対的に大径の円弧を有する第１の非蒸着スリット（円弧半径R_large (mm)）と第２の非蒸着スリット（円弧半径R_small (mm)）が、R_large / R_small≧60、R_large・R_small≦0.5(mm²)の２つの関係式を満たすものである。これらの関係式を満たす非蒸着スリットを具備することにより、電流密度の粗密を発生させるヒューズ部が第１の非蒸着スリットに形成されているものの、電流密度分布が均一化され、ジュール損失の少ない金属化フィルムとなることが本発明者等によって特定されている。

同一円弧のスリットが連続する非蒸着スリットの場合には、電流密度に粗密が生じ易い一方で、大小の円弧が連続してなる非蒸着スリットの場合には、電流が直線的に流れ易くなり、結果として電流密度に粗密が生じ難い。

また、第１の非蒸着スリットの途中に形成されるヒューズ部の形成位置に関しては、該第１の非蒸着スリットの円弧中心から45度の位置（第１の非蒸着スリットが半円形の場合は２箇所）に形成されるのがよい。

ここで、金属化フィルムは、ポリプロピレン（PP）やポリフェニレンサルファイド（PPS）、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)などからなる誘電体フィルムの表面にアルミニウムや亜鉛などからなる金属蒸着膜が形成される。

金属化フィルムを巻回して製作された金属化フィルム柱体の両端の電極取り出し面に、亜鉛などからなる金属溶射部が形成され、形成された金属溶射部の表面に棒状や板状のバスバーなどからなる外部引き出し端子がはんだ付け等されて金属化フィルムコンデンサが形成される。

なお、金属化フィルムコンデンサは、既述する構成、すなわち、金属化フィルム柱体の両端に金属溶射部が形成され、この金属溶射部に外部引き出し端子が接続されたユニット体がケース内に収容され、ユニット体がケース内でモールド樹脂体で封止された形態であってもよい。

以上の説明から理解できるように、本発明の金属化フィルムによれば、２つの半径の円弧状の非蒸着スリットが交互に連続してなる波形の非蒸着スリットを有するものにおいて、相対的に大径の円弧を有する第１の非蒸着スリット（円弧半径R_large (mm)）と第２の非蒸着スリット（円弧半径R_small (mm)）が、R_large / R_small≧60、R_large・R_small≦0.5(mm²)の２つの関係式を満たす非蒸着スリットを具備することにより、電流密度の粗密を発生させるヒューズ部が第１の非蒸着スリットに形成されているものの、電流密度分布が均一化され、ジュール損失の少ない金属化フィルムを提供することができる。

本発明の金属化フィルムの実施の形態を示した斜視図である。第１の非蒸着スリット（円弧半径R_large (mm)）と第２の非蒸着スリット（円弧半径R_small (mm)）におけるR_large/ R_smallを変化させた際のジュール損失を求める解析結果を示した図である。 R_large・R_smallを変化させた際のジュール損失を求める解析結果を示した図である。従来の金属化フィルムコンデンサの実施の形態を示した縦断面図である。従来の金属化フィルムの実施の形態を示した斜視図である。

以下、図面を参照して本発明の金属化フィルムの実施の形態を説明する。

（金属化フィルムの実施の形態）
図１は本発明の金属化フィルムの実施の形態を示した斜視図である。図示する金属化フィルム１０は、誘電体フィルム１の一側面に金属蒸着膜２が形成されてその全体が構成されており、この金属化フィルム１０を２枚積層して一組とし（２枚一対の金属化フィルム）、この一組の金属化フィルム１０，１０が巻き回され、もしくは積層されて金属化フィルムコンデンサのコアが形成されるようになっている。

電流の流れ方向（図中のＸ方向）を金属化フィルム１０の幅方向と規定すれば、この幅方向の一端には金属蒸着膜が形成されない絶縁マージンｍｇが設けられている。

ここで、誘電体フィルム１は、ポリプロピレン（PP）やポリフェニレンサルファイド（PPS）、ポリエチレンナフタレート（PEN）、ポリエチレンテレフタレート（PET）、ポリフッ化ビニリデン（PVDF）などから形成でき、金属蒸着膜２は、アルミニウムや亜鉛、銅などを誘電体フィルム表面に蒸着することで形成される。

金属蒸着膜２には、円弧状の第１の非蒸着スリット３（円弧半径はR_large mm）と、第１の非蒸着スリット３よりも円弧の半径が小さな円弧状の第２の非蒸着スリット４（円弧半径はR_small mm）と、が交互に連続してなる波形の非蒸着スリット５が金属蒸着膜２の幅方向に延びており、この非蒸着スリット５が間隔を置いて複数形成されている。

隣接する非蒸着スリット５の半円形の第１の非蒸着スリット３同士、および半円形の第２の非蒸着スリット４同士がそれぞれ対応する位置に併設し、隣接する２つの第１の非蒸着スリット３にて半径R_large mmの円が構成される。

隣接する複数の非蒸着スリット５によって金属蒸着膜２は複数のセグメント７に分割されるが、第１の非蒸着スリット３の途中位置に形成された２箇所のヒューズ部６によって隣接するセグメント７同士が通電可能状態となっている。

２箇所のヒューズ部６は、半円形の第１の非蒸着スリット３の中心Ｏから左右45度のラインと第１の非蒸着スリット３の交点位置に形成されている。

さらに、第１の非蒸着スリット３の円弧の半径R_large (mm)と第２の非蒸着スリット４の円弧の半径R_small (mm)は以下２つの関係式を満たすように設計されている。
・ R_large / R_small≧60
・ R_large・R_small≦0.5(mm²)

後述する本発明者等による解析結果より、上記２つの関係式を満たす半径R_large mm、R_small mmで第１の非蒸着スリット３と第２の非蒸着スリット４を形成することにより、ヒューズ部６の電流通過に起因する電流密度の粗密が解消されて電流密度分布の均一化が図られ、ジュール損失の少ない金属化フィルム１０が形成される。

図示する金属化フィルム１０の形成方法は、誘電体フィルム１の表面における第１の非蒸着スリット３と第２の非蒸着スリット４の位置（ヒューズ部６の位置を除く）にマスキングを施し、蒸着加工を施す方法によっておこなわれる。

[本発明の金属化フィルムの効果を確認する解析とその結果]
本発明者等は、本発明の金属化フィルム（実施例1、2）と比較例1、2をコンピュータ内でモデル化し、電磁解析ソフトJMAG Designer v10.5.6を使用して多元配置法による最適化計算を実施し、蒸着電極に低電流を印加した際のジュール損失を算出した。

＜実施例1＞
第１の非蒸着スリットの円弧の半径R_large (mm)を3mm、6.5mm、10mmに変化させ、第２の非蒸着スリットの円弧の半径R_small (mm)を0.05mm、5.025mm、10mmに変化させ、ヒューズ部の配置角度を10度とした。

＜実施例2＞
第１の非蒸着スリットの円弧の半径R_large (mm)を3mm、6.5mm、10mmに変化させ、第２の非蒸着スリットの円弧の半径R_small (mm)を0.05mm、5.025mm、10mmに変化させ、ヒューズ部の配置角度を45度とした。

＜比較例1＞
第１の非蒸着スリットの円弧の半径R_large (mm)、第２の非蒸着スリットの円弧の半径R_small (mm)をともに10mmとし、ヒューズ部の配置角度を10度とした。

＜比較例2＞
第１の非蒸着スリットの円弧の半径R_large (mm)、第２の非蒸着スリットの円弧の半径R_small (mm)をともに10mmとし、ヒューズ部の配置角度を45度とした。

＜解析結果＞
解析の結果を以下の表１と図２，３に示す。なお、図２はR_large/ R_smallを変化させた際のジュール損失結果であり、図３はR_large・R_smallを変化させた際のジュール損失結果である。

図２，３においては、実施例1、2のそれぞれの解析結果（プロット）から近似曲線を作成し、図示している。

表１、図２より、実施例1、実施例2ともに、R_large / R_smallの近似曲線は60で変曲点を迎え、60以上でジュール損失はほぼ同程度の値(2W程度)となっていることより、R_large / R_small≧60の範囲を基準範囲に規定することができる。

また、表１、図３より、実施例1、実施例2ともに、R_large・R_smallの近似曲線は0.5mm²で変曲点を迎え、0.5 mm²以下の範囲でジュール損失は急激に低減することより、R_large / R_small≦0.5 mm²の範囲を基準範囲に規定することができる。

これら２つの結果に基づき、第１の非蒸着スリットの円弧の半径をR_large (mm)、第２の非蒸着スリットの円弧の半径をR_small (mm)とした際に、以下２つの関係式を満たすように非蒸着スリットを形成することとした。
・ R_large / R_small≧60
・ R_large・R_small≦0.5(mm²)

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

１…誘電体フィルム、２…金属蒸着膜、３…第１の非蒸着スリット、４…第２の非蒸着スリット、５…非蒸着スリット、６…ヒューズ部、７…セグメント、１０…金属化フィルム、ｍｇ…絶縁マージン（空隙）

Claims

誘電体フィルムとその一側面に形成された金属蒸着膜からなる金属化フィルムであって、
金属蒸着膜には、円弧状の第１の非蒸着スリットと、第１の非蒸着スリットよりも円弧の半径が小さな円弧状の第２の非蒸着スリットと、が交互に連続してなる波形の非蒸着スリットが複数形成されており、
第１の非蒸着スリットの円弧の半径をR_large (mm)、第２の非蒸着スリットの円弧の半径をR_small (mm)とした際に、以下２つの関係式を満たし、
・ R_large / R_small≧60
・ R_large・R_small≦0.5(mm²)
第１の非蒸着スリットの途中に蒸着部分であるヒューズ部が形成されている金属化フィルム。