JP2820414B2 - フィルムコンデンサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、フィルムコンデンサに関するものである。

従来の技術 フィルムコンデンサの誘電体として、ポリプロピレ
ン、ポリエチレンテレフタレートなどのプラスチックフ
ィルムおよび絶縁紙（以下総称して誘電体フィルムとい
う）が使用されている。そして、このような誘電体フィ
ルムの片面または両面に電極材料としての金属を真空蒸
着するなどして金属化フィルムが作られる。電極材料に
は種々の金属が用いられているが、一般にアルミニウム
や亜鉛が用いられている。

このうちアルミニウムは、自己回復性に優れ、また耐
候性にも優れているが、それを用いた金属化フィルムコ
ンデンサにおいては、交流電圧下で使用する場合、その
電極膜の欠落部や突起部、または電極膜端部などの電界
の集中する部分で、一定の電界強度（主にフィルム厚み
印加電圧、電極材料、電極膜厚により決定される）以上
になると、電気化学的な酸化反応により、アルミニウム
が酸化物もしくは水酸化物に変化する。このため、電極
面では小円形の酸化皮膜部が生じ、また電極端では端面
に沿って透明な帯状の酸化皮膜部形成される。この酸化
部分が高絶縁物であることから、電界集中箇所がこの酸
化部分と接する未酸化の部分に移動して行くため、酸化
反応が継続され、小円形または電極端の透明部分がさら
に成長して行く。したがって、電極としての有効面積が
減少し、コンデンサとしての容量の減少を生ずる。この
ため、アルミニウムを電極材料とする交流電圧用のフィ
ルムコンデンサにおいては、単位フィルム厚み当たりの
印加可能な電圧（以下電位経度という）に一定の限界を
生じている。

一方、亜鉛を電極材料とした場合にも、同様に酸化被
膜部が生じる。この酸化物が半導体であることから電界
の集中する箇所が移動しにくい（酸化反応の生ずる電界
強度の臨界値が高い）ため、酸化反応の進行が遅い。し
たがって、コンデンサ容量の減少を少なく押さえること
ができる。そのため、亜鉛を電極材料とするフィルムコ
ンデンサは、電極がアルミニウムで形成されたフィルム
コンデンサに比べて電位傾度を高めることができる。し
かしながら、亜鉛はこのような特長をもっているもの
の、その耐候性がよくなく、水分や酸素によりきわめて
短時間に腐食劣化するという難点を有している。

これらアルミニウムと亜鉛のもつ課題を解決し、それ
ぞれの特長を生かすために、アルミニウムと亜鉛とで混
合蒸着薄膜電極を形成することが行われている。これに
よりハンドリング性が良好で、交流電圧印加による容量
変化を抑制できるため、電位傾度の一定の向上が図られ
る。この場合の組成比率は、アルミニウムを３〜40重量
％とするのが望ましい。

発明が解決しようとする課題 ところが、亜鉛を電極材料の一つとするフィルムコン
デンサにおいては、一定の電位傾度を越える交流電圧を
連続的に印加すると、絶縁抵抗の低下、さらにはそれが
進行してコンデンサとして短絡状態となり、発火、発煙
に至る。これはコンデンサの一部欠陥部で瞬時破壊（自
己回復）を生じた際に、電極金属である亜鉛は、飛散性
が悪いために、欠陥部に点在して残留した状態となる。
この状態でさらに交流電圧が連続的に印加されると、点
在する亜鉛部を通じて放電を生じ、発熱する。この発熱
によりフィルムの炭化が進行して、絶縁抵抗の低下、さ
らには短絡状態となり、発火、発煙する。

発明者らは、アルミニウムと亜鉛とで混合蒸着薄膜電
極を形成した金属化フィルムコンデンサにおいて、亜鉛
によって生じる発火、発煙を防止し、これまでのアルミ
ニウム−亜鉛電極の金属化フィルムコンデンサでは得ら
れなかった、さらに高い電位傾度設計を可能にし、飛躍
的な小形化、低コスト化を図ることを目的とするもので
ある。

課題を解決するための手段 本発明のフィルムコンデンサは、誘電体フィルムの片
面または両面に幅方向の端部に第１の絶縁溝部を設け
て、少なくともアルミニウムと亜鉛とからなる混合蒸着
薄膜電極を形成するとともに、前記混合蒸着薄膜電極
を、前記誘電体フィルムの長さ方向に複数個の島状に分
離する第２の絶縁溝部を設けることにより金属化フィル
ムを構成し、その金属化フィルムを前記蒸着薄膜電極が
互いに接しないように巻回し、両端面に電極引出し部を
設け、かつ前記混合蒸着薄膜電極は前記電極引出し部と
接する一端部側の厚みが、他の部分よりも厚く形成され
ているものである。

作用 本発明のフィルムコンデンサは島状に分離された小容
量コンデンサが並列に集積された構造となり、一部の欠
陥部で瞬時破壊が生じた際、混合蒸着薄膜電極の電極引
出し部との接続部分が、その接触抵抗のために、瞬時破
壊時の異常電流で発熱し、接続部の電極金属が気化消失
してコンタクトが失われ、瞬時破壊を生じた小容量のコ
ンデンサが切り離される。そして、混合蒸着薄膜電極は
電極引出し部と接する一端部側の厚みが、他の部分より
も厚く形成されているので波及的な瞬時破壊による容量
変化を少なくでき、更に混合蒸着薄膜電極と電極引出し
部とのコンタクト力を強化し誘電正接の上昇を防止しコ
ンデンサの特性が安定する。

実施例 以下、本発明の一実施例について、図面を参照しなが
ら説明する。

第１図はこの実施例の構造およびその製造方法を説明
するための斜視図である。

まず、２枚の誘電体フィルム1,2の片面に、それぞれ
オイルマスキング法で幅方向の端部に絶縁部3,4を設
け、アルミニウムと亜鉛とが混合するよう蒸着して混合
蒸着薄膜電極5,6を形成する。このようにして得られた
金属化フィルム7,8のいずれか一方、たとえばフィルム
８の混合蒸着薄膜電極６に絶縁溝部９を等間隔に形成し
て、この混合蒸着薄膜電極６をフィルム長さ方向に複数
個の島状領域に分割する。それから、端部の絶縁溝部3,
4が互いに反対側に位置するように、また、混合蒸着薄
膜電極5,6が接しないように、金属化フィルム7,8を重ね
て巻回し、コンデンサ素子とする。巻回し終えてから、
コンデンサ素子の両端部分に電極引出し部10（反対側は
図示されていない）を形成し、それぞれリード線11,12
を接続する。このコンデンサは、第２図の等価回路図に
示すように、複数個の小容量コンデンサが端子電極とし
てのリード線11,12間に並列に接続された構造をしてい
る。

コンデンサに電圧を印加した際に、欠陥部があってそ
れに瞬時破壊を生じた場合、この破壊部のある小容量コ
ンデンサが電極引出し部から切り離されるので、この瞬
時破壊を生じた箇所には、以後、電圧が印加されること
がなくなる。このため、亜鉛を含む金属を混合蒸着薄膜
電極とした場合にあったコンデンサの短絡事故の発生を
阻止することができる。

第３図は、本実施例のフィルムコンデンサと、混合蒸
着薄膜電極を島状に分離する絶縁溝部のない従来の構造
のフィルムコンデンサとについて、交流電圧印加の下で
高温連続耐用試験を実施したときの、絶縁抵抗の推移を
対比して示す。この結果より明らかなように、従来の構
造のコンデンサであれば、時間経過に伴って絶縁抵抗が
低下しているが、本実施例のコンデンサでは絶縁抵抗の
低下が認められず、瞬時破壊を生じた小容量コンデンサ
が切り離されていることが確認された。

第４図は、この連続耐用試験において、交流電圧を20
00時間印加したときの、印加電圧とコンデンサの残存率
との関係を示している。この結果より明らかなように、
従来の構造のコンデンサでは一定値以上の交流電圧を連
続的に印加すると、コンデンサの残存率がいちじるしく
低下している。一方本発明のフィルムコンデンサでは、
短絡破壊を生じることがなく、従来品におけるような短
絡破壊、それによる発火、発煙という事故の発生が認め
られなかった。

以上のように、本発明によれば、誘電体フィルム上の
混合蒸着薄膜電極をアルミニウムと亜鉛とで形成してい
るので、フィルムコンデンサのハンドリング性が良好と
なり、交流電圧印加によっても短絡事故の発生のおそれ
がきわめて少なく、高電位傾度設計が可能となる。

第５図は、本発明において、混合蒸着薄膜電極の抵抗
値（電極膜厚）を異ならせて交流電圧印加の下で連続耐
用試験を実施した時の容量変化率△C/C（ただし、Ｃは
容量初期値、△Ｃは容量変化分）を示す図である。第６
図は同じく膜抵抗値を異ならせたコンデンサそれぞれに
ついて充放電試験（直流電圧印加と端子電極間短絡によ
る放電との繰返し）を実施したときの誘電正接（tan
δ）の変化を示す図である。

第５図から明らかなように、試験を開始して間もなく膜
抵抗の低い（膜厚が厚い）コンデンサほど容量変化が小
さく特性的に安定しているが、電流が長時間印加されて
誘電体フィルムが劣化し瞬時破壊が生ずるようになる
と、一定値以下の膜抵抗のフィルムコンデンサでは容量
変化が増大してくる。これは、混合蒸着薄膜電極の抵抗
が一定値よりも低くなると瞬時破壊が発生しにくくな
り、これを起こすためにはより高いエネルギーが必要と
なる。すなわち、膜抵抗が低くなるほど（混合蒸着薄膜
電極が厚くなるほど）瞬時破壊が発生する際に生ずる飛
散金属量とガス量が増大するため、この瞬時破壊発生に
おける発熱量と内圧が増加する。したがって、膜抵抗値
が一定値よりも低くなると、この瞬時破壊により生ずる
発熱量と内圧とが一定値以上にまで増大し、その近傍に
ある他の小容量コンデンサに対して波及的な影響を及ぼ
し、瞬時破壊を増大させるようになり、容量変化を大き
くしていると推測される。

一方、混合蒸着薄膜電極の抵抗値を高くする（膜厚を
薄くする）と、瞬時破壊は低いエネルギーで発生するの
で、波及的な瞬時破壊による容量変化が少なくなる。

ところが、アルミニウムと亜鉛とで構成されている混
合蒸着薄膜電極においても、一定値以上の電界集中箇所
では電気化学的酸化反応が発生する。この酸化反応が進
行する臨界の電界強度は膜抵抗値と比例関係にあるた
め、この酸化による容量減少を生ずる。

このようなことから、混合蒸着薄膜電極の容量形成に
主として寄与する部分の膜抵抗値は、実使用上、約３〜
20Ω／□とするのが望ましい。

一方、第６図に示した充放電試験の結果から、本発明
において、混合蒸着薄膜電極の抵抗を高くして行くとす
なわちその膜厚を薄くして行くと、誘電正接（tanδ）
が低下する。これは、混合蒸着薄膜電極の膜厚が薄くな
るのに従って、混合蒸着薄膜電極と電極引出し部とのコ
ンタクト力が低下してしまうためである。すなわち、混
合蒸着薄膜電極が薄くなると、電極引出し部における接
触抵抗が高くなるため、充放電試験における電流による
発熱のために混合蒸着薄膜電極の飛散を生じ、混合蒸着
薄膜電極と電極引出し部との接触面積が低下する。した
がって、コンデンサとしての直列抵抗分が増加し、誘電
正接の上昇を生ずるものと推測される。

このようなことから、混合蒸着薄膜電極と電極引出し
部とのコンタクト力を確保するため、電極引出し部と接
する混合蒸着薄膜電極部分を、その抵抗値が１〜10Ω／
□となる膜厚とするのが望ましい。

以上のことから、本発明のフィルムコンデンサにおい
て、その特長を十分に引出し、安定した特性を得るため
に、混合蒸着薄膜電極の、電極引出し部と接する部分を
一定幅で厚く（膜抵抗で１〜10Ω／□）形成するととも
に、他の部分を薄く（膜抵抗で５〜20Ω／□）形成する
のが望ましい。

そして、混合蒸着薄膜電極において、電極引出し部分
と接する側で厚く形成すべき部分の幅は1.0mm以上とす
るのが好ましい。また、瞬時破壊発生の状況から、この
幅は最大でもフィルム幅の1/2以下とするのが、実使用
上、望ましい。

第７図（ａ）は、混合蒸着薄膜電極６を島状に分離す
るための絶縁溝部９を、レーザー光を照射して形成した
ときの、絶縁溝部９部分の構造を示す。また、同図
（ｂ）は従来一般に行われている放電によって形成した
ときの、絶縁溝部９の部分の構造を示している。

絶縁溝部９をレーザー加工の熱的処理で形成する場
合、レーザー光ビームスポットの中心部分ではエネルギ
ー密度が大であるが、中心から離れるに従ってそれが減
少する。したがって、レーザー光を照射したとき、その
ビームスポットの中心部分では、混合蒸着薄膜電極を構
成するアルミニウムと亜鉛とはそれぞれ気化消失する。
しかしながら、ビームスポット周辺部分では、それらが
気化するまでには至らず、溶融状態となった後再凝固す
る。このため、レーザー光を走査して絶縁溝部９を形成
すると、その端縁部分は、第８図（ａ）のように、きわ
めて凹凸の少ない面で形成される。さらに、アルミニウ
ムと亜鉛とは融点と沸点とが異なるため、レーザー光を
走査させると、そのビームスポット周辺部分では、融点
の低い亜鉛が溶融状態となり、アルミニウムを包み込む
ようにして再凝固する。したがって、絶縁溝部９の端縁
部分は表面は亜鉛層で覆われた状態となる。

一方、放電処理によって絶縁溝部９を形成した場合に
は、断続的に発生する火花放電による加工となるため、
絶縁溝部９の端縁部分は第７図（ｂ）のように、凹凸の
きわめて多い形状となり、放電部分ではアルミニウムと
亜鉛とが気化消失してしまうので、端縁部分が表面を亜
鉛で覆われた状態とはならない。

第８図は、この絶縁溝部９を、レーザー光を照射して
形成したフィルムコンデンサと、放電で形成したフィル
ムコンデンサとについて、交流電圧を印加した高温連続
耐用試験をしたときの、それぞれの容量変化を示す。な
お、ここで絶縁溝部９の加工条件以外は同一条件とし
た。

これから明らかなように、レーザー加工によって絶縁
溝部９を形成したフィルムコンデンサは、容量変化が小
さく、安定した特性を示している。

前述したとおり、フィルムコンデンサにおいて、交流
電圧を連続印加した場合、混合蒸着薄膜電極の欠落部や
突起部または混合蒸着薄膜電極端部などの電界の集中す
る部分で、一定の電界強度以上になると、電気化学的な
酸化反応を生じ混合蒸着薄膜電極が高抵抗の酸化物とな
るため容量変化を生ずる。

この酸化反応を生ずる電界強度の臨界値は、主にフィ
ルム厚み、印加電圧、混合蒸着薄膜電極金属の種類及び
膜厚によるが、この混合蒸着薄膜電極の欠落部や端部な
どが鋭角的な形状をしていると、そこに電界集中が生じ
やすくなって酸化しやすくする。

レーザー加工によって絶縁溝部を形成すると、容量変
化が小さく特性が安定しているのは、前述したようにこ
の絶縁溝部側の端部が、第７図（ａ）に示すような、な
だらかな曲面で形成されているので、電界が集中しにく
くなるからである。さらに、この表面が主として酸化物
となったとしても、その比抵抗が低い亜鉛の層で覆われ
ているので、一層電界が集中しにくくなり、また酸化が
進行しにくいためである。

なお、本実施例においては、混合蒸着薄膜電極を島状
に分離する絶縁溝部を、２枚の片面金属化フィルムの一
方のみに形成したが、両者に形成してもよい。また、両
面金属化フィルムを使用し、その片面または両面に絶縁
溝部を形成し、蒸着金属の無いフィルムとあわせて巻回
して構成してもよい。

発明の効果 以上のように本発明のフィルムコンデンサによれば、
従来のアルミニウムと亜鉛を用いて混合蒸着薄膜電極を
形成したフィルムコンデンサの、ハンドリング性が良好
で交流電圧印加による容量変化が少ないという特長を生
かしつつ、その課題であった絶縁抵抗の低下、短絡破壊
による発火，発煙を解決することができる。さらに誘電
正接の上昇を防止でき高電位傾度の設計が可能となり、
著しく小型化ができるだけでなく、コストが安く、特性
の安定したフィルムコンデンサを提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のフィルムコンデンサの一実施例の要部
を示す斜視図、第２図はその等価回路図、第３図は本発
明のフィルムコンデンサと従来品とについて交流高温連
続耐用試験を行ったときの絶縁抵抗の変化を対比して示
す図、第４図は同じく破壊残存率を示した図、第５図は
本発明のフィルムコンデンサにおいて、その混合蒸着薄
膜電極の膜抵抗別の交流高温連続耐用試験の容量変化を
示す図、第６図は膜抵抗別の充放電試験における誘電正
接の変化を示す図、第７図は混合蒸着薄膜電極を島状に
分離する絶縁溝部の概略の構造を示す斜視図で、同図
（ａ）はレーザー加工で形成したときの形状を、また同
図（ｂ）は電気的放電加工により形成したときの形状を
示す図、第８図は混合蒸着薄膜電極を島状に分離する絶
縁溝部をレーザー加工と電気的放電加工とで形成したも
ののフィルムコンデンサの交流高温連続耐用試験におけ
る容量変化を示す図である。 符号の説明 １、２……誘電体フィルム ３、４……絶縁溝部 ５、６……合蒸着薄膜電極 ７、８……金属化フィルム ９……絶縁溝部 10……電極引出し部 11、12……リード線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉野 晴美 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (72)発明者 錦織 由朋 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭63−48815（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−96712（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−121313（ＪＰ，Ａ) 実開 昭60−90823（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭60−176538（ＪＰ，Ｕ)

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】少なくともアルミニウムと亜鉛とからなる
   混合蒸着薄膜電極を、誘電体フィルムの片面に、幅方向
   の端部に第１の絶縁溝部を設けて形成するとともに、少
   なくとも片方の金属化フィルムの前記電極を、前記誘電
   体フィルムの長さ方向に複数の島状に分離する第２の絶
   縁溝部を設けることにより金属化フィルムを構成し、そ
   の金属化フィルムを２枚もしくは第２の絶縁溝部を設け
   ない金属化フィルムとあわせて巻回し、両端面に電極引
   出し部を設け、かつ前記電極は前記電極引出し部と接す
   る一端部側の厚みが、他の部分よりも厚く形成されてい
   るフィルムコンデンサ。
2. 【請求項２】少なくともアルミニウムと亜鉛とからなる
   混合蒸着薄膜電極を、誘電体フィルムの両面に、幅方向
   の端部に第１の絶縁溝部を設けて形成するとともに、少
   なくとも片側の金属化フィルムの前記電極を、前記誘電
   体フィルムの長さ方向に複数の島状に分離する第２の絶
   縁溝部を設けることにより金属化フィルムを構成し、そ
   の金属化フィルムと蒸着金属の無いフィルムとをあわせ
   て巻回し、両端面に電極引出し部を設け、かつ前記電極
   は前記電極引出し部と接する一端部側の厚みが、他の部
   分よりも厚く形成されているフィルムコンデンサ。
3. 【請求項３】島状の電極の、第２の絶縁溝部側の端部が
   曲面をなしている請求項１又は請求項２記載のフィルム
   コンデンサ。
4. 【請求項４】第２の絶縁溝部の端縁部分において、表面
   が亜鉛層で覆われている請求項１〜３のいずれか１項に
   記載のフィルムコンデンサ。
5. 【請求項５】電極引出し部と接する一端部側の電極が１
   〜10Ω／□の膜抵抗であり、他の部分の電極が５〜20Ω
   ／□の膜抵抗である請求項１〜４のいずれか１項に記載
   のフィルムコンデンサ。