JP4561832B2 - 金属化フィルムコンデンサと自動車用インバータ平滑用コンデンサ - Google Patents

金属化フィルムコンデンサと自動車用インバータ平滑用コンデンサ Download PDF

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Description

本発明は、電気機器、各種電源回路、通信機器、電気自動車を含む車両等に使用される金属化フィルムコンデンサに関する。
従来、自己保安機構付きの巻回型プラスチックフィルムコンデンサにおいては、電極引出部となる部分の電極厚みが厚く構成されている。これにより電極導出部となるメタリコンとの接続強度が向上されている。このようなフィルムコンデンサは例えば特開昭62−183506号公報に開示されている。
また、以下の構造を有する自己保安機構が知られている。すなわち、蒸着電極内に金属非蒸着部であるスリットを用いて微小ブロックが構成され、このスリット間に設けられたヒューズが微小ブロック同士を接続している。このようにして分割電極が並列接続されている。さらに近年ではスリットを格子状に設けた分割電極パターンによる自己保安機構も知られている。また、電流通電時にヒューズの発熱が少なく、かつ容量減少も少ない特徴がある自己保安機構パターンが特開2004−134561号公報に開示されている。
図6A〜図7Bは従来の金属化フィルムコンデンサの模式図である。図6Aは、従来の金属化フィルムコンデンサの透視平面図、図6Bは図6AのC−C’面における断面図である。図7Aは、従来の他の金属化フィルムコンデンサの透視平面図、図7Bは図7AのD−D’面における断面図である。
図6A、図6Bに示す構造では、ポリプロピレンフィルムなどからなる誘電体フィルム(以下、フィルム)11A、11Bの各上面に、金属蒸着膜で構成される高抵抗部12A、12Bと低抵抗部13A、13Bとがそれぞれ設けられている。高抵抗部12A、12Bにはそれぞれ、第1スリット16B、第2スリット16A、第3スリット16Cが設けられている。各スリット同士の間の部分はヒューズ14として機能する。微小ブロック17は各スリットで囲まれている。
低抵抗部13A、13Bには、フィルム11A、11Bの側面側から電極引出部となるメタリコン(図示せず)が溶着される。そのため、低抵抗部13A、13Bは高抵抗部12A、12Bより厚く構成され、膜抵抗値が低い。なお、メタリコンを溶着する際にフィルム11A、11B上の金属蒸着膜同士が短絡しないよう、フィルム11A、11Bの上面には金属を蒸着されていない帯状部15A、15Bが絶縁マージンとして設けられている。第1スリット16B、第2スリット16A、第3スリット16Cはフィルム11A、11Bの幅方向の中央、またはそれより帯状部15A、15Bに近い側に設けられている。
図7A、図7Bに示す構造では、高抵抗部12C、12Dにおける電極パターンが図6A、図6Bに示す構造とは異なる。すなわち、第1スリット16B、第2スリット16A、第3スリット16Cは高抵抗部12Cの幅方向全体に設けられており、高抵抗部12Dにスリットは設けられていない。
図6A、図6Bに示す金属化フィルムコンデンサにおいて、ヒューズ14は自己保安機構として機能する。しかしながら、このようにスリットを設けられたフィルム11A、11Bを積層してコンデンサを構成する場合、積層されるフィルム11A、11Bの幅方向の中央部に設けられたヒューズ14の位置が重なる。すなわち、上下のフィルム11A、11Bにそれぞれ設けられた第1スリット16B同士が重なる。そのため、第1スリット16Bに設けられたヒューズ14の位置も重なる。この部分では大電流の通電時に局所的に著しく発熱する。
一方、図7A、図7Bに示す金属化フィルムコンデンサにおいては、高抵抗部12Cの全体にヒューズ14が設けられ、フィルム11Aの幅方向中央より電極引き出し部側にもヒューズ14が形成されている。この電極引き出し部側のヒューズ14での発熱は大きい。
このように従来の構造を有するフィルムコンデンサでは発熱が大きく、この発熱によってコンデンサの寿命が低下したり、自己保安機構であるヒューズ14の動作性がばらついたりする。
本発明の金属化フィルムコンデンサでは、誘電体フィルムの上下に金属蒸着電極を有する。金属蒸着電極は、メタリコンと接続される低抵抗部の反対側にのみスリットが設けられて分割され、スリット間にヒューズが設けられている。このように低抵抗部側に自己保安機構のヒューズ部を設けないため、ヒューズ部の動作性が向上する。またヒューズ動作性確保のためのヒューズ幅範囲を広く採ることが可能となり、製造時の歩留まり向上に繋がる。さらに、積層された金属化フィルムにおいて、金属蒸着電極の幅方向の中央部分に設けられ、誘電体フィルムの長手方向に伸びているスリットが重なっていない。このため、ヒューズが互いに重なっていないので放熱しやすく、ヒューズの動作バラツキが小さい。
図1は本発明の実施の形態1における金属化フィルムの斜視図、図2Aは同平面図、図2Bは図2AのA−A’面における断面図である。図3Aは図1〜図2Bを用いて説明した金属化フィルムを積層した状態の透視平面図である。図3Bは図3AのB−B’面における断面図である。図3Cは図1に示す金属化フィルムを用いて構成されたフィルムコンデンサの断面図である。
ポリプロピレンフィルムなどからなる第1誘電体フィルム(以下、フィルム)1の第1面である上面には、第1高抵抗部(以下、高抵抗部)2と、フィルム1の長手方向である第1辺に沿った第1低抵抗部(以下、低抵抗部)3とで構成された第1金属蒸着電極が設けられている。高抵抗部2には、第1スリット(以下、スリット)6B、第2スリット(以下、スリット)6A、第3スリット(以下、スリット)6C、第4スリット(以下、スリット)6Xが設けられて電極パターンが形成されている。微小ブロック7は各スリットで囲まれている。このような電極パターンは、例えば金属を蒸着するのに先駆け、フィルム1の上面にオイルを転写等によりパターニングすることにより、非蒸着部であるスリットを形成することで作製される。なお、電極パターンの作製方法は特に限定されない。
図3Cに示すように低抵抗部3にはフィルム1の側面側から電極引出部となるメタリコン8が溶着される。そのため、低抵抗部3は高抵抗部2より厚く構成され、第1金属蒸着電極の他の部分より膜抵抗値が低い。なお、メタリコン8を溶着する際に短絡が発生しないよう、フィルム1の上面には金属を蒸着されていない帯状部5が絶縁マージンとして、低抵抗部3と対向する位置である、第1辺に対向する第2辺に沿って設けられている。
本実施の形態では、低抵抗部3よりも帯状部5に近い側にのみスリット6Aが設けられ、スリット6A間に第1ヒューズ(以下、ヒューズ)4が設けられている。また、スリット6B、スリット6Cについては、微小ブロック7を接続し分割電極を構成するようにヒューズ4が設けられている。すなわち、互いに実質的に一定の間隔で設けられた複数のスリット6Bは、フィルム1の第1辺から、対向する第2辺に向かう方向(フィルム1の幅方向)の中央部分に設けられている。そして第1辺から第2辺に向かう方向に直交する方向(フィルム1の長手方向)に伸びている。複数のスリット6Aは、それぞれスリット6Bと連通するとともに、スリット6Bよりフィルム1の第2辺側に設けられ、第1辺から第2辺に向かう方向(フィルム1の幅方向)に伸びている。互いに実質的に一定の間隔で設けられた複数のスリット6Cはスリット6Aに連通するとともに、スリット6Bと平行な方向に伸びている。スリット6Xはスリット6Aを延長する位置に、スリット6Aと間隔を置いて設けられ、第1金属蒸着電極の第2辺側に開口している。そしてスリット同士6Bの間、スリット6C同士の間、そしてスリット6Aとスリット6Xとの間にそれぞれヒューズ4が設けられている。
次に図3A、図3B、図3Cを用いて本実施の形態によるフィルムコンデンサの構成について説明する。下側の第2誘電体フィルム(以下、フィルム)1Aは、図1〜図2Bを用いて説明したフィルム1と同様の構造を有する。そして図3A、図3Bに示すように、互いに低抵抗部3と帯状部5A、低抵抗部3Aと帯状部5とが重なる位置に積層されている。ポリプロピレンフィルムなどからなるフィルム1Aの上面には、第2高抵抗部(以下、高抵抗部)2Aと第2低抵抗部(以下、低抵抗部)3Aとから構成された第2金属蒸着電極が設けられている。低抵抗部3Aはフィルム1の下面である第2面側に、第2辺に平行になるように配置されている。高抵抗部2Aには、それぞれスリット6Bに相当する第5スリット(以下、スリット)6E、スリット6Aに相当する第6スリット(以下、スリット)6D、スリット6Cに相当する第7スリット(以下、スリット)6F、スリット6Xに相当する第8スリット(以下、スリット)6Yが設けられている。微小ブロック7Aは各スリットで囲まれている。低抵抗部3Aと対向する位置には、金属を蒸着されていない帯状部5Aが絶縁マージンとして設けられている。すなわち、第2金属蒸着電極は第1辺に露出しないように、フィルム1の第1面に対向する第2面側に設けられている。そして、低抵抗部3Aよりも帯状部5Aに近い側にのみスリット6Dが設けられ、スリット6D、6Y間に第2ヒューズ(以下、ヒューズ)4Aが設けられている。また、スリット6E、スリット6Fについては、微小ブロック7Aを接続し分割電極を構成するように、それぞれの間にヒューズ4Aが設けられている。
すなわち、互いに実質的に一定の間隔で設けられた複数のスリット6Eはフィルム1の第1辺から第2辺に向かう方向の中央部分に設けられ、第1辺から第2辺に向かう方向に直交する方向に伸びている。複数のスリット6Dはそれぞれスリット6Eと連通するとともに、スリット6Eよりフィルム1の第1辺側に設けられ、第2辺から第1辺に向かう方向に伸びている。互いに実質的に一定の間隔で設けられた複数のスリット6Fはスリット6Dに連通するとともに、スリット6Eと平行な方向に伸びている。スリット6Yはスリット6Dを延長する位置に、スリット6Dと間隔を置いて設けられ、第2金属蒸着電極の第1辺側に開口している。スリット6E同士の間、スリット6F同士の間、そしてスリット6Dとスリット6Yとの間にそれぞれヒューズ4Aが設けられている。
図3Aに示すように、フィルム1上に設けられたスリット6Bとフィルム1A上に設けられた第1スリット6Eとは互いに重ならないように積層されている。すなわち、第1辺から第2辺に向かう方向において、スリット6Bの位置とスリット6Eとの位置とがずれている。これらをさらに巻回し、図3Cに示すようにフィルム1、1Aの両側面に金属を溶射し、低抵抗部3、3Aにそれぞれ接続される外部電極引出部となるメタリコン8を形成して金属化フィルムコンデンサが構成される。メタリコン8同士は互いに絶縁されている。
以上の構成では、スリット6B、6Eが互いに重ならないように、フィルム1、1Aが積層されている。そのため大電流の通電時に大きな発熱が発生しても、その熱によって他のヒューズ4に影響を与えることがなくなり、自己保安機構であるヒューズ4の動作性が安定する。
また、高抵抗部2におけるスリット6Aに関しては、帯状部5側の微小ブロック7にのみヒューズ4が設けられている。そのため、図2Aに示すように、スリット6A、6B、6Cの3本のスリットによって構成されている微小ブロック7では、2カ所にヒューズ4が接続されている。そのため、微小ブロック7の一つあたりに接続されているヒューズ4に流れる電流が大きくなり、発熱が最も大きくなるフィルム1、1Aの幅方向中央付近のヒューズ4の動作性が高まる。さらに分割電極が格子状に設けられているので、耐電圧が向上し、容量減少が抑制される。これらの効果は高抵抗部2Aについても同様である。
なお、スリット6B、6Eは互いに重ならないように積層しているが、ずらす距離はフィルム1の幅の10%以内であることが望ましい。そのようにすることで有効電極面積の低下による容量低下も抑制される。
また本実施の形態では、フィルム1、1Aの片面にのみ金属蒸着して積層している。これ以外に図3Dの断面図に示すように、フィルム1の両面に金属蒸着して高抵抗部2、2A、低抵抗部3、3Aを設け、金属蒸着していない第2誘電体フィルム1Bと積層してもよい。このようにすることにより、高抵抗部2、2A間距離を短縮することが可能となり、コンデンサを高容量化できる。また誘電体フィルム1Bとして薄いフィルムを用いることにより、さらなる小型化が可能となる。
従来のフィルムコンデンサでは、発熱による対策として誘電体フィルムを厚くすることが多い。これに対し、本実施の形態ではフィルム1、1Aの厚さを小さくすることができる。そのため、フィルム1の厚みに依存する電位傾度を高めることができ、特に高温での使用環境が多い自動車インバータ平滑用などに用いることが可能となる。
次に、スリット6B、6E、6D、6F、6Y、6A、6X、6Cの形状について説明する。図4は図3Aにおけるスリット6B間に設けられたヒューズ4(破線部)の平面図である。フィルム1から伝わる熱はヒューズ角部4Bに集中する。この熱の集中によりヒューズ4が溶断する。この場合、ヒューズ4が溶断しやすく動作性にばらつきを生じる場合がある。
図5は、丸みを帯びた形状にヒューズ角部4Cを構成した状態を示す平面図である。このようなヒューズ角部4Cとすることで、フィルム1から伝わる熱は角部に集中することなく、ヒューズ4の動作ばらつきが低下する。このようにヒューズ角部4Cは丸みを帯びていることが好ましい。
このとき、ヒューズ角部4Cの丸みを帯びた部分を除いたヒューズ4の平坦部分4Dはスリット6Bの幅6Gの半分以上の長さを有していることがさらに好ましい。このようにすることで、熱の集中する部分が少なくなり、ヒューズ4の動作性がより確かになる。
以上、スリット6Bについて説明したが、スリット6E、6D、6F、6Y、6A、6X、6Cについても同様である。
以下、具体的なサンプルを用いて、本発明の効果を説明する。
試料1として、厚さ3μm、幅100mmポリプロピレンフィルムをフィルム1、1Aに用い、図1〜図3Cに示す構造を有する耐圧750VDC、100μFのコンデンサを試作した。以下、代表してフィルム1上における構成を説明する。高抵抗部2はアルミニウムを蒸着させて作製し、低抵抗部3はアルミニウムに加えて亜鉛を蒸着させて作製した。スリット6Bとスリット6Cとの間隔である分割マージン幅を10mmとし、それぞれのヒューズ4の長さを0.3mmとした。この場合、ヒューズ4の先端形状は全て図5に示す形状で幅6Gを0.3mmとし、角部4Cの半径を0.05mmとした。そして2枚のフィルム1、1Aを1対とした際のフィルム幅方向中央部のヒューズ4、4Aのずれ距離を3mmとした。このようなフィルム1、1Aの対を巻回した後、低抵抗部3、3Aにそれぞれメタリコン8を溶射して試料1を作製した。
次に試料2として図6Aに示す電極パターンで試料1と同様にコンデンサを試作した。試料1との違いはフィルム幅方向中央部の、上下の高抵抗部12A、12Bにおけるヒューズ14が、重ねあわせられていることである。
さらに試料3として図7に示す電極パターンで試料1と同様にコンデンサを試作した。第1スリット16Bと第3スリット16Cとの間隔である分割マージン幅を10mmとし、ヒューズ14の長さを0.3mmとしたパターンを有する高抵抗部12Cを設けたフィルム11Aと電極パターンのない高抵抗部12Dを設けたフィルム11Bとを一対としてコンデンサを形成した。
これらの試料を用いて10Arms〜30Armsのリプル電流通電による温度上昇試験を実施した。その試験結果を(表1)に示す。温度測定はコンデンサ巻芯部でかつ幅方向の中央部で行った。
Figure 0004561832
(表1)に示すように、試料1に比べ試料2、試料3の温度上昇値が大きい。試料2は、フィルム幅方向中央部で、ヒューズ14が重なることが要因で試料1に比べ発熱が大きいと考えられる。試料3は、高抵抗部12Cの幅方向全体にヒューズ14が設けられ、電極引き出し部側にもヒューズ14が形成されている。この電極引き出し部側のヒューズ14での発熱が大きいことが要因で全体の温度上昇を引き上げていると考えられる。
電流経路上のヒューズを流れる電流値が小さいことが、試料1、2の温度上昇が試料3に比べて小さい主要因である。発熱は電流値のおよそ2乗に比例するので、ヒューズを流れる電流値が小さいことが発熱を抑えられる最大要因である。このように、発熱を抑えることでコンデンサとしての耐熱性が向上され、自動車用をはじめとする高温領域での使用が可能となる。
次に、高温領域での安全性確認のための100℃及び110℃での電圧ステップアップ試験を、リプル電流20Armsを通電しながら実施した。電圧ステップアップ試験は50V/1hステップアップとし、容量がほぼ0になるまで電圧上昇させた。結果を(表2)に示す。
Figure 0004561832
100℃では試料1〜3全てで自己保安機構が動作する結果となったが、110℃では試料2、3でコンデンサ破壊が発生した。このように試料2、3のうちのいくつかの試験体では、リプル発熱によりコンデンサ内部温度上昇が高く、自己保安機構の動作性が阻害された。一方、本実施の形態である試料1では110℃でも自己保安機構が全数動作した。すなわち本発明により耐熱性が向上していることがわかる。
次に試料4として、先端形状が図4に示すようなスリット角部4Bの形状であるコンデンサを作製した。図4に示すスリットの先端形状は角ばっている。試料4の試験体を、先端形状が図5に示すように丸みを帯びた角部4Cであるスリットを形成した試料1とあわせてヒューズ4の耐電流試験を実施した。試験結果としてヒューズ切れが発生した個数を(表3)に示す。
Figure 0004561832
試料1の試験体は1200Aで全数ヒューズ切れが発生したのに対し、試料4では1000Aからヒューズ切れが発生し、なおかつ1200Aでもヒューズ切れが発生しないものもあった。このように試料4では、ヒューズ強度のバラツキが大きかった。
試料4のヒューズ4にはヒューズ角部4Bに熱が集中する。すなわちヒューズ強度は先端部分であるヒューズ角部4Bの最小距離1点だけが動作に反映される。そのため、最小距離のバラツキがそのまま強度のバラツキに反映されたと考えられる。一方、試料1は安定したヒューズ強度となっており、自己保安機構の動作性が非常によいコンデンサを得ることができる。
本実施の形態では、フィルム1、1Aとしてポリプロピレンフィルムを用いているが、これに限定されない。ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリフェニレンスルフィド(PPS)、ポリエチレンナフタレート(PEN)等、他のプラスチックフィルムを用いてもよい。
また本実施の形態では図2A、図3Aに示すように、自己保安機構を有する電極パターンとして、フィルム1の幅方向に微小ブロック7が2つ設けられている。このような電極パターンについて述べたが、フィルム1の幅方向に微小ブロック7が3つ以上設けられ、電極区切り部であるスリット6B、6Cが合せて3本以上の場合にも同様の効果を奏する。
本実施の形態による金属化フィルムコンデンサは高温使用環境においてもヒューズ4、4Aの動作性が高い。そのため高温使用環境を強いられる自動車用インバータに平滑用コンデンサとして使用することができる。
本発明にかかる金属化フィルムコンデンサは高温使用環境においてもヒューズの動作性が高い。そのため、自動車用インバータの平滑用コンデンサなどに適用することができる。
本発明の実施の形態における金属化フィルムの斜視図 図1に示す金属化フィルムの平面図 図2Aに示す金属化フィルムの断面図 図1に示す金属化フィルムを用いた金属化フィルムコンデンサの構成を示す透視平面図 図3Aに示す金属化フィルムコンデンサの要部断面図 図3Aに示す金属化フィルムコンデンサの断面図 本発明の実施の形態における他の金属化フィルムコンデンサの要部断面図 本発明の実施の形態におけるヒューズの平面図 本発明の実施の形態における他のヒューズの平面図 従来の金属化フィルムコンデンサの構成を示す透視平面図 図6Aに示す金属化フィルムコンデンサの断面図 従来の他の金属化フィルムコンデンサの構成を示す透視平面図 図7Aに示す金属化フィルムコンデンサの断面図
符号の説明
1 第1誘電体フィルム
1A,1B 第2誘電体フィルム
2 第1高抵抗部
2A 第2高抵抗部
3 第1低抵抗部
3A 第2低抵抗部
4 第1ヒューズ
4A 第2ヒューズ
4B,4C ヒューズ角部
4D 平坦部分
5 第1帯状部(絶縁マージン)
5A 第2帯状部(絶縁マージン)
6B 第1スリット
6A 第2スリット
6C 第3スリット
6X 第4スリット
6E 第5スリット
6D 第6スリット
6F 第7スリット
6Y 第8スリット
6G 第1スリットの幅
7,7A 微小ブロック
8 メタリコン
11A,11B 誘電体フィルム
12A,12B,12C,12D 高抵抗部
13A,13B 低抵抗部
14 ヒューズ
15A,15B 帯状部(絶縁マージン)
16B 第1スリット
16A 第2スリット
16C 第3スリット
17 微小ブロック

Claims (4)

  1. 第1誘電体フィルムと、
    前記第1誘電体フィルムの第1辺に沿って設けられた第1低抵抗部を有し、前記第1誘電体フィルムの第1面上に設けられた第1金属蒸着電極と;ここで第1低抵抗部は第1金属蒸着電極における他の部分より膜抵抗値が低い、
    前記第1辺に対向する第2辺側に、前記第2辺に平行に設けられた第2低抵抗部を有し、前記第1辺に露出しないように、前記第1面に対向する第2面側に設けられた第2金属蒸着電極と;ここで第2低抵抗部は第2金属蒸着電極における他の部分より膜抵抗値が低い、前記第1低抵抗部と前記第2低抵抗部とにそれぞれ接続されるとともに互いに絶縁された複数のメタリコンと、を備え、
    前記第1誘電体フィルムは、前記第1面上で前記第2辺に沿って設けられた金属のない帯状部を有し、
    前記第1金属蒸着電極には、前記第1金属蒸着電極の前記第1辺から前記第2辺に向かう方向の中央部分に設けられ、前記第1辺から前記第2辺に向かう方向に直交する方向に伸び、互いに実質的に一定の間隔で設けられた複数の第1スリットと、
    前記各第1スリットと連通するとともに、前記第1スリットから前記第2辺側に設けられ、前記第1辺から前記第2辺に向かう方向に伸びる複数の第2スリットと、
    前記第2スリットに連通するとともに、前記第1スリットと平行な方向に伸び、互いに実質的に一定の間隔で設けられた複数の第3スリットと、
    前記第2スリットを延長する位置に、前記第2スリットと間隔を置いて設けられ、前記第1金属蒸着電極の前記第2辺側に開口した第4スリットと、が設けられ、
    前記第1スリット同士の間、前記第3スリット同士の間、そして前記第2スリットと前記第4スリットとの間にそれぞれ第1ヒューズが設けられ、
    前記第2金属蒸着電極には、
    前記第2金属蒸着電極の前記第1辺から前記第2辺に向かう方向の中央部分に設けられ、前記第1辺から前記第2辺に向かう方向に直交する方向に伸び、互いに実質的に一定の間隔で設けられた複数の第5スリットと、
    前記各第5スリットと連通するとともに、前記第5スリットから前記第1辺側に設けられ、前記第2辺から前記第1辺に向かう方向に伸びる複数の第6スリットと、
    前記第6スリットに連通するとともに、前記第5スリットと平行な方向に伸び、互いに実質的に一定の間隔で設けられた複数の第7スリットと、
    前記第6スリットを延長する位置に、前記第6スリットと間隔を置いて設けられ、前記第2金属蒸着電極の前記第1辺側に開口した第8スリットと、が設けられ、
    前記第5スリット同士の間、前記第7スリット同士の間、そして前記第6スリットと前記第8スリットとの間にそれぞれ第2ヒューズが設けられ、
    前記第1辺から前記第2辺に向かう方向において、前記第1スリットの位置と前記第5スリットとの位置とがずれているとともに、前記第1ヒューズの角部が丸みを帯びており、前記第1ヒューズは前記第1スリットの幅の半分以上の平坦部を有し、さらに前記第2ヒューズの角部が丸みを帯びており、前記第2ヒューズは前記第5スリットの幅の半分以上の平坦部を有する、金属化フィルムコンデンサ。
  2. 前記第2金属膜を表面に形成され、前記第1誘電体フィルムと積層された第2誘電体フィルムをさらに備えた、請求項1記載の金属化フィルムコンデンサ。
  3. 前記第1誘電体フィルムと積層された第2誘電体フィルムをさらに備え、前記第2金属膜が前記第1誘電体フィルムの前記第2面上に形成された、請求項1記載の金属化フィルムコンデンサ。
  4. 請求項1記載の金属化フィルムコンデンサを用いた自動車用インバータ平滑用コンデンサ。
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