JP3811829B2

JP3811829B2 - 金属化フィルムコンデンサ

Info

Publication number: JP3811829B2
Application number: JP11297196A
Authority: JP
Inventors: 健次古木
Original assignee: Shizuki Electric Co Inc
Current assignee: Shizuki Electric Co Inc
Priority date: 1996-03-29
Filing date: 1996-03-29
Publication date: 2006-08-23
Anticipated expiration: 2016-03-29
Also published as: JPH09270359A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、保安機構を有する金属蒸着化プラスチックフィルム（以下、金属化フィルムと称する）を使用したコンデンサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
直流フィルターコンデンサは、直流に含まれる交流成分を選択濾波し、純直流に近い電圧とするように利用されている。また充放電用コンデンサは充電したエネルギーの急峻な放電により大電流を発生させるものである。これらは産業機器用コンデンサとして広く一般に利用されている。
【０００３】
そして一般にコンデンサに蓄えられる誘電体単位面積当たりのエネルギー蓄電量（以下、エネルギー密度）は、次式で与えられる。
Ｗ／Ｓ・ｄ＝ε_ｏε_ｓ（Ｅ／ｄ）^２／２＝ε_ｏε_ｓＧ^２／２〔Ｊ／ｍ^３〕
Ｗ：蓄電エネルギー〔Ｊ〕Ｓ：電極面積〔ｍ^２〕ｄ：誘電体厚み〔ｍ〕
ε_ｏ：真空の誘電率 ε_ｓ：比誘電率Ｇ：電位傾度〔Ｖ／ｍ〕
【０００４】
即ちコンデンサのエネルギー密度は、誘電体の比誘電率に比例し、電位傾度の自乗に比例することになる。ここで比誘電率は素材固有の値であってコンデンサに採用できるものはある狭い範囲に収まっているから、コンデンサのエネルギー密度は電位傾度に依存するものと考えて差し支えない。
【０００５】
従来、この分野のコンデンサの誘電体は、アルミ箔電極を使用した紙かプラスチックフィルム或いはこれらを併用したものが採用されていたが、このような従来のアルミ箔電極コンデンサでは、設定電位傾度はせいぜい１３０Ｖ／μｍが上限であった。これに対して、最近一部の分野で採用が広がっている金属化フィルムを用いた蒸着コンデンサ、すなわち金属化フィルムコンデンサでは、その特徴である自己回復作用（絶縁欠陥部周辺の蒸着金属が瞬時的短絡によるエネルギーで蒸発・飛散し、コンデンサの機能部分から切り離され、コンデンサの機能が回復する現象）による絶縁破壊に対する信頼性の向上により、より高電位傾度の設定が可能となり、１８０Ｖ／μｍ程度まで設計されるようになってきている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで最近は、この種の産業機器用コンデンサの分野でも装置自体の小型・軽量化が進み、コンデンサに対する小型・軽量化の要望も次第に強くなってきている。しかしながら主として蒸着金属の材質・薄膜の厚み等によって自己回復性を高めようとすることは限界となりつつあり、さらなる小型・軽量化の要望に応えつつ、コンデンサのエネルギー密度を向上させることは困難な状況となっている。
【０００７】
この発明は、上記従来の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、絶縁破壊に対する信頼性を確保すると共にヒューズ動作等による容量減少を抑制し、これによってエネルギー密度の向上を可能としながら、しかも小型、軽量化の要望に応え得る金属化フィルムコンデンサを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
そこで請求項１の金属化フィルムコンデンサは、片面に金属蒸着を施したプラスチックフィルムを２枚一対とするか、両面に金属蒸着を施したプラスチックフィルムと金属蒸着を施さないプラスチックフィルムを２枚一対として巻回し、上記一対２面の蒸着面の少なくとも１面は、金属蒸着の無い第１スリットにより単位金属蒸着電極に細分化され、第１スリット間に形成された第１ヒューズ部により単位金属蒸着電極が接続され、単位金属蒸着電極はｎ角形状（ｎは３以上の整数）を有すると共に、単位金属蒸着電極の蒸着面積は１０〜１０００ｍｍ^２であり、第１ヒューズ部の寸法を最狭部で０．０５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下とすると共に第１ヒューズ部は単位金属蒸着電極あたり多角形のコーナ部にある２以上ｎ未満の第１ヒューズ部を備え、かつ第１ヒューズ部により各単位金属蒸着電極が互いに接続されたコンデンサとしての機能部分の蒸着金属と、金属の溶射等により導通を得るための電極引き出し部分の蒸着金属とを、フィルムの長手方向に延びる蒸着金属のない第２スリットにより分離し、その第２スリットにより分離されたコンデンサの機能部分の蒸着金属と電極引き出し部分の蒸着金属とが、第２スリット間に形成された第２ヒューズ部により接続されて成り、さらに第１ヒューズ部と第２ヒューズ部の最狭部の寸法比率が第１ヒューズ部を１としたときに第２ヒューズ部が１〜２０の範囲内であることを特徴としている。
【０００９】
従来は、例えば特開平４−３５９４１６号公報に開示されたもののように、単位コンデンサ（以下、セグメントという）を形成するスリットがフィルム幅方向の一方向にのみ設けられているものが多かった。このようなスリットでは、本用途のコンデンサ性能上必要な単位コンデンサへの細分化（１０から１０００ｍｍ^２）は、特に５０ｍｍ以上のフィルム幅で極端に狭くなり、加工技術上制約が多くなるということであり、また第２は、スリット部の増加による容量減少が大きくなるということである。これに対して本願のものに於けるスリットは、これらの制約がより少なく、任意に細分化されたセグメントを形成することができる。
【００１０】
セグメントの面積については、１０から１０００ｍｍ^２が適当である。１０ｍｍ^２未満では、スリット部の静電容量損失分が大きいのとヒューズ部を含む加工技術上経済性に難点があり得策ではない。１０００ｍｍ^２を超過すれば、１回のヒューズ動作時に減少する静電容量が大きくなり、コンデンサの静電容量寿命で電位傾度が制約され、得策でない。
【００１１】
各セグメント間を接続するヒューズ部の寸法は、最狭部で０．０５〜１．５ｍｍが適正である。０．０５ｍｍ未満では、通常電流による誤動作が多く、静電容量の安定性を欠く。１．５ｍｍを超過すればヒューズの感度が悪く、誘電体の損傷が生じ絶縁破壊の信頼性を欠く。
【００１２】
前述したように、絶縁欠陥部での瞬時的短絡によって発生するエネルギーの大きさに応じて、ヒューズ最狭部の寸法及びセグメント面積により適正なヒューズパターンを設定するのであるが、定格充電電圧が低くなると短絡時に発生するエネルギーが小さくなり、ヒューズ動作させることが困難となる場合がある。この場合、請求項２の金属化フィルムコンデンサのように、１セグメント当たりのヒューズの合計寸法（最狭部）を０．１ｍｍ〜６ｍｍの範囲内にすることにより良好にヒューズ動作させることができる。合計寸法が０．１ｍｍ未満では通常電流による誤動作が多く、静電容量の安定性を欠く。合計寸法が６ｍｍを超えればヒューズの感度が悪く、誘電体の損傷が生じ絶縁破壊の信頼性を欠く。
【００１３】
この様に従来の金属蒸着化フィルムでの高電位傾度化では、主としてコンデンサの絶縁破壊に対する信頼性から限界が認められたので、本発明者等は、ＪＩＳＣ４９０１低圧進相コンデンサ、ＪＩＳＣ４９０８電気機器用コンデンサに採用されている交流用途の保安機能付きコンデンサに注目し、これを直流コンデンサに適用した構造についての検討を行い、この結果、ヒューズ効果により蒸着フィルムの自己回復作用を高め、絶縁破壊に対する信頼性を確保し、ヒューズ動作等による容量減少を極めて小さくし得る金属化フィルムコンデンサの実現を可能にした。そして本構成により、従来のコンデンサに比較して大幅な小型・軽量化を達成することができた。また、第２スリット及び第２ヒューズ部を設け、第１ヒューズ部と第２ヒューズ部の寸法比率を１：１から１：２０の範囲内とする事により絶縁破壊及び容量減少に対する高い信頼性を維持することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に、この発明の金属化フィルムコンデンサの具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。各図はこの発明の一実施形態による金属化フィルムコンデンサ素子を示すもので、図１はその展開斜視図、図２は一対の金属化フィルムコンデンサの断面図である。両図において、１は第１の金属化フィルムで、ポリプロピレンフィルム等の第１の誘電体フィルム２の表面に金属蒸着により電極被膜３が形成されている。２ａはマージン部で、この部分には電極被膜３は形成されていない。２ｂは第１スリットで、この部分にも電極被膜３は形成されていない。３ｂは第１ヒューズ部であり、コンデンサの機能部分の細分化された単位金属蒸着電極であるセグメント３ａを接続している。３ｃは第２ヒューズ部であり、フィルムの長手方向に延びる電極被膜の形成されていない第２スリット２ｃにより分離された機能部分の蒸着金属と電極引き出し部分の蒸着金属とを接続している。４は第２の金属化フィルムで、以下第１の金属化フィルムの各部の名称に同じく、５は第２の誘電体フィルム、５ａはマージン部、５ｂは第１スリット、５ｃは第２スリット、６は電極被膜、６ａはセグメント、６ｂは第１ヒューズ部、６ｃは第２ヒューズ部である。７、８はリード引き出し用の金属吹き付け部である。そして上記第１の金属化フィルム１を例にすると、セグメント部３ａを形成するパターンとしては、図３〜図６に示すものがあるが、これ以外のパターンを採用することも可能である。なお図３〜図６において、ｗ１は第１ヒューズ部最狭部寸法、ｗ２は第２ヒューズ部最狭部寸法、そしてｗ３、ｗ４はセグメント部寸法をそれぞれ示している。
【００１５】
【実施例】
（実施例１）
次に試験用に製作した本構造（図３）の供試コンデンサの仕様を以下に示す。

このコンデンサと比較用のコンデンサ（スリットを設けない従来品）各１０個を使用して実験を行った。試験結果を表１に示す。
【００１６】
【表１】

【００１７】
試験方法はステップアップ耐電圧試験といわれるもので、８０℃に設定した熱風循環式恒温槽中にコンデンサを入れて、１８０Ｖ／μｍ（９００Ｖ）に相当する直流電圧を１０^５秒（２７．８Ｈｒｓ）印加する。印加後、常温にしてコンデンサの容量等の諸特性を測定する。次に２００Ｖ／μｍに相当する電圧を同様にして印加し、印加・測定を順次繰り返し、コンデンサが絶縁破壊するか容量が殆ど無くなるまで印加電圧を上昇させ継続する。
【００１８】
以上の試験結果より以下のことが判明した。即ち従来のコンデンサが２４０Ｖ／μｍ（１２００Ｖ）で全数絶縁破壊したのに対して、本実施例のコンデンサはフィルム本来の耐電圧領域まで絶縁破壊することなく、従来例において全数絶縁破壊が発生した２４０／μｍにおいても、大きな容量減少もなく耐用した。このように高い容量安定性と絶縁破壊に対する信頼性が確認された。
【００１９】
なおフィルムの電位傾度すなわち通常の使用電圧（定格電圧）をフィルム厚さで除したものは、１３０Ｖ／μｍ以上に設定するのが適当である。１３０Ｖ／μｍ未満では、従来の通常コンデンサに対する優位性がなく、本方式を採用する意味がない。
【００２０】
（実施例２）
実施例１の図３に示す構成で、セグメント部寸法ｗ３、ｗ４を変えてセグメント面積が４〜２０００ｍｍ^２となる亜鉛蒸着ポリプロピレンフィルムを５種製作し、下記仕様の供試コンデンサを製作した。

【００２１】
試験結果を図７に示す。試験の方法は、（１）スリット部がない通常のコンデンサの初期静電容量に対して、スリットを設ける事による初期段階での容量損失率が、セグメント面積によりどう変化するかを容量測定により求める。（２）８０℃の温度で定格電圧の１．３倍の直流電圧を２０００時間連続印加し、初期に対する容量減少率を求める。
【００２２】
以上のことから次のことが判明した。先ずセグメント面積が小さくなれば、非電極部の増加により初期容量が減少するが、これとは逆にセグメント面積が大きくなれば、寿命試験に於ける容量減少率が大きくなるという事であり、結局セグメント面積が１０〜１０００ｍｍ^２の範囲では、相反する両項目を満足する事が出来る。
【００２３】
尚フィルムの種類、厚さ、蒸着金属と抵抗値、含浸有無等を変えても、この範囲であれば両性能を満足することも確認した。
【００２４】
（実施例３）
実施例１の図３に示す構成で、金属蒸着フィルムとして、フィルムの種類がポリプロピレンフィルムとポリエチレンテレフタレートの２種類、フィルムの厚さが５〜２０μｍの範囲で、任意のセグメント面積と定格電圧を設定したコンデンサ素子を製作した。この素子をブリキ製のケースに収納し、石油系ワックスとポリブデン油を混合した含浸剤を真空含浸したものを供試コンデンサとした。フィルムの種類は６種だが、セグメント面積を変えて、１セグメント当たりの蓄電エネルギー（Ｗ）が異なる合計１３種の供試コンデンサとした。
【００２５】
試験方法
試験１直流連続通電試験：７０℃の熱風循環式恒温槽中で定格設定電圧の１．２倍の直流電圧を２０００時間連続印加する。このとき試験中に絶縁破壊が生じるか否か、試験完了後の静電容量変化率が１０％以内か否かで判定した。
試験２充放電試験：７０℃の熱風循環式恒温槽中で定格電圧での充放電を電圧反転率約１０％、放電パルス幅１００〜３００μｓｅｃ、充放電頻度２〜３ｐｐｓの条件で充放電回数１０００万回を実施した。判定の基準は試験１に同じである。
試験の結果を表２に示す。
【００２６】
【表２】

【００２７】
以上の結果から次のことが判明した。１セグメント当たりの蓄電エネルギー（Ｗ）が大きくなれば（定格充電電圧が大きくなる、１セグメントの面積が大きくなる、比誘電率が大きくなればエネルギーが増加する）、直流連続通電試験、充放電試験ともに絶縁破壊、容量減少に対する信頼性が低下する。適正な性能を付与するには、１セグメント当たりの定格電圧充電時の蓄電エネルギー（Ｗ）を０．０３Ｊ以下にする必要がある。０．０３Ｊを超過すれば、適正なヒューズ設定が困難となり、誘導体の損傷が生じ絶縁破壊に対する信頼性が低下する。また容量の減少率も大きくなる。
【００２８】
（実施例４）
実施例１の図３に示す構成で、金属蒸着フィルムとしてフィルムの厚さが４．５〜１５μｍの範囲で任意のヒューズ合計寸法を設定した１５種のコンデンサ素子を製作した。この素子をブリキ製ケースに収納し植物油（菜種油）を真空含浸したものを供試コンデンサとした。なお、このときのセグメント面積は５０〜５００ｃｍ^２、定格電圧は９００〜３０００ＶＤＣである。
【００２９】
試験方法
実施例３．試験１．と同様、７０℃の熱風循環式恒温槽中で定格電圧の１．２倍の直流電圧を２０００時間連続印加し、絶縁破壊が生じるか否か、試験完了後の静電容量変化率が１０％以内か否かで判断した。
試験の結果を表３に示す。
【００３０】
【表３】

【００３１】
以上の結果から、次の事が判明した。定格電圧が低くなると、絶縁欠陥部での瞬時的短絡によって発生するエネルギーが小さくなり、ヒューズ最狭部寸法及びセグメント面積のみで絶縁破壊及び容量減少に対する信頼性を維持する事が出来なくなる。適正な性能を付与するには、１セグメント当たりのヒューズ合計寸法を定格電圧に応じ、０．１ｍｍ以上６ｍｍ以下の範囲内で適宜設定する必要がある。本試験結果を、定格電圧における適正な１セグメント当たりのヒューズ合計寸法範囲として示したのが図８である。
【００３２】
（実施例５）
次に実施例１に示すものと同様の構成で、第２ヒューズ部寸法ｗ２（図３（ｃ）〜図６（ｃ））を変えて第１ヒューズ部３ｂと第２ヒューズ部３ｃの寸法比率が１：０．５から１：３０となる亜鉛蒸着ポリプロピレンを６種製作し、以下の仕様の供試コンデンサを製作した。

試験の方法は、実施例３．試験１と同様７０℃の熱風循環式恒温槽中で定格電圧の１．２倍の直流電圧を２０００時間連続印加し、絶縁破壊が生じるか否か、試験完了後の静電容量変化率が１０％以内か否かで判断した。
この結果を表４に示す。
【００３３】
【表４】

【００３４】
以上の結果より、第２スリット及び第２ヒューズ部を設け、第１ヒューズ部と第２ヒューズ部の寸法比率を１：１から１：２０の範囲内とする事により絶縁破壊及び容量減少に対する高い信頼性を維持することができる。
【００３５】
上記実施例において第１スリットはフィルム面上の異なる２方向に不連続に形成されており、隣接する各セグメントはこの第１スリット間に形成された第１ヒューズ部で互いに接続されている。これにより第１ヒューズ部の動作時、各セグメントで形成される各単位コンデンサを個々に切り離すことができ、容量損失を極めて小さくおさえることができる。
【００３６】
なお第１スリットは２方向ではなく異なる３以上の方向に形成されていてもよい。すなわち第１スリットにより細分化されたセグメントは正方形ではなく多角形であればよく、面積も１０〜１０００ｍｍ^２の範囲内であれば全て同一でなくてもよい。
【００３７】
各実施例において、セグメントあたりコーナ部にあるヒューズ数は２〜３個であり、セグメントあたり全てのコーナにヒューズを設けずに隣接する各セグメントを接続し、異常時には異常が生じた単位コンデンサのみを切り離すことによりコンデンサの機能を維持することができる。セグメントの全てのコーナにヒューズを設けヒューズ数を多くした場合、使用電圧が低くなると自己回復時にヒューズに流れる電流が小さくなり、ヒューズ動作が安定しない。
【００３８】
この場合、ヒューズ寸法精度を上げることでヒューズ機能を維持することができるが、実際には、ヒューズ寸法精度向上にはスリット形成の加工上限界があり適正なヒューズ設定が困難なため、ｎ角形状のセグメントあたりのヒューズ個数をｎより少なくする必要がある。この時、ｎ角形状のセグメントあたりのヒューズ数がｎ／２個（ｎが奇数のときは（ｎ＋１）／２個）より少ない場合、またｎ角形状のセグメントあたりのヒューズ数がｎ／２個（ｎが奇数のときは（ｎ＋１）／２個）であり、その各ヒューズ位置がセグメントのコーナ部にない場合は、異常が生じたセグメントのみを必ずしも切り離すことができない構成になってしまい、当該セグメントに異常が生じヒューズが動作したとしても、そのセグメントのみならず隣接するセグメントも同時に切り離され機能を失ってしまう場合が生じる。これを避けるため、ｎ角形状のセグメントあたりのヒューズ数は少なくともｎ／２個（ｎが奇数のときは（ｎ＋１）／２個）設ければよく、ヒューズ数が最小のｎ／２個（ｎが奇数のときは（ｎ＋１）／２個）である場合は、各ヒューズをｎ角形状のセグメントのコーナ部に位置させればよい。
【００３９】
なお金属蒸着電極の構造については、電極面全体が一様な金属蒸着被膜抵抗値を有する標準的な蒸着金属か、あるいは第２スリットにより分離された電極引き出し部分の金属蒸着被膜抵抗値が、コンデンサの機能部分の金属蒸着被膜抵抗値よりも低いヘビーエッジ構造の金属蒸着構造でも良い。ヘビーエッジ構造の金属蒸着の場合には、第２ヒューズ部３ｃを、第２スリット２ｃにより分離されたコンデンサの機能部分の金属蒸着被膜抵抗値よりも低いヘビーエッジ部分の範囲内とするのがよい。ヘビーエッジ構造の金属蒸着で、第２ヒューズ部３ｃをヘビーエッジ部分の範囲外とすれば、特に第１ヒューズ部３ｂと第２ヒューズ部３ｃの寸法比率が小さい場合において、電極引き出し部分からの電流集中による誤動作が多く、静電容量の安定性を欠くために得策でない。
【００４０】
上記実施例では誘電体フィルムとしてポリプロピレンフィルムを使用したが、ポリエチレンテレフタレートフィルム等他の種類のフィルムであっても良い。また上記実施例では蒸着金属として亜鉛を使用したが、亜鉛に特定されるものでなく、アルミニウムや亜鉛／アルミニウム混合物等他の金属でも良い。今回は植物油油浸コンデンサで実施したが、含浸剤・充填剤はこれに限定されるものではない。また油浸・乾式を問わず適用することができる。本例では、一対２面両方の蒸着面がスリットにより細分化された電極であるが、片方を細分化されない通常の蒸着フィルムとしても何等差し支えない。
【００４１】
【発明の効果】
以上のように、この発明は１素子のコンデンサを多数の単位コンデンサの集合体にし、それぞれの単位コンデンサにヒューズを設け、異常時に絶縁破壊することなく、容量減少を極めて低く押さえてコンデンサの機能を確保できるようにしたものであり、絶縁性能が高く、小型・軽量のコンデンサを提供することができる。また、第２スリット及び第２ヒューズ部を設け、第１ヒューズ部と第２ヒューズ部の寸法比率を１：１から１：２０の範囲内とする事により絶縁破壊及び容量減少に対する高い信頼性を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の金属化フィルムコンデンサの一実施形態における金属化フィルムコンデンサ素子を示す展開斜視図である。
【図２】一対の金属化フィルムの断面図である。
【図３】上記金属化フィルムコンデンサのセグメントを示す図である。
【図４】上記金属化フィルムコンデンサのセグメントを示す図である。
【図５】上記金属化フィルムコンデンサのセグメントを示す図である。
【図６】上記金属化フィルムコンデンサのセグメントを示す図である。
【図７】実施例２における試験結果を示すグラフである。
【図８】実施例４における試験結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１第１金属化フィルム
２ｂ第１スリット
２ｃ第２スリット
３ａセグメント
３ｂ第１ヒューズ部
３ｃ第２ヒューズ部
４第２金属化フィルム
５ｂ第１スリット
５ｃ第２スリット
６ａセグメント
６ｂ第１ヒューズ部
６ｃ第２ヒューズ部

Claims

片面に金属蒸着を施したプラスチックフィルムを２枚一対とするか、両面に金属蒸着を施したプラスチックフィルムと金属蒸着を施さないプラスチックフィルムを２枚一対として巻回し、上記一対２面の蒸着面の少なくとも１面は、金属蒸着の無い第１スリットにより単位金属蒸着電極に細分化され、第１スリット間に形成された第１ヒューズ部により単位金属蒸着電極が接続され、単位金属蒸着電極はｎ角形状（ｎは３以上の整数）を有すると共に、単位金属蒸着電極の蒸着面積は１０〜１０００ｍｍ^２であり、第１ヒューズ部の寸法を最狭部で０．０５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下とすると共に第１ヒューズ部は単位金属蒸着電極あたり多角形のコーナ部にある２以上ｎ未満の第１ヒューズ部を備え、かつ第１ヒューズ部により各単位金属蒸着電極が互いに接続されたコンデンサとしての機能部分の蒸着金属と、金属の溶射等により導通を得るための電極引き出し部分の蒸着金属とを、フィルムの長手方向に延びる蒸着金属のない第２スリットにより分離し、その第２スリットにより分離されたコンデンサの機能部分の蒸着金属と電極引き出し部分の蒸着金属とが、第２スリット間に形成された第２ヒューズ部により接続されて成り、さらに第１ヒューズ部と第２ヒューズ部の最狭部の寸法比率が第１ヒューズ部を１としたときに第２ヒューズ部が１〜２０の範囲内であることを特徴とする金属化フィルムコンデンサ。
上記単位金属蒸着電極あたり第１ヒューズ部の合計寸法が０．１ｍｍ以上６ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１の金属化フィルムコンデンサ。
上記単位金属蒸着電極は４角形状であって、そのコーナ部にある第１ヒューズ部の数は２又は３であることを特徴とする請求項１又は請求項２の金属化フィルムコンデンサ。