JP4770935B2 - 金属化フィルムコンデンサ - Google Patents

Description

本発明は、金属化フィルムコンデンサに関するものである。

金属化フィルムコンデンサは、誘電体となるプラスチックフィルムの両面に互いに対向して金属蒸着膜の電極を配置した構造であり、誘電損失（ｔａｎδ）が小さく、かつ絶縁耐圧が高い等の優れた電気的性質を有している。

金属化フィルムコンデンサの特徴の一つに、絶縁破壊を起こしたときに、その放電エネルギーにより破壊点周辺部の金属蒸着電極が飛散し、絶縁が回復する自己回復性機能がある。しかしながら、電圧が高くなり絶縁破壊のエネルギーが大きくなると自己保安性が機能せず、絶縁破壊点が短絡し、コンデンサがショートしてしまう。

これを防ぐため、少なくとも誘電体フィルムの片面の金属蒸着電極を分割して複数の分割金属蒸着電極を形成し、この複数の分割金属蒸着電極を細幅の蒸着金属膜からなるヒューズ機能を果すヒューズ部で並列に接続した自己保安機構付金属化フィルムコンデンサが実用化されている。

この金属化フィルムコンデンサの自己保安機構について、以下に図３の従来から一般的に用いられている分割金属蒸着電極を用いて説明する。１１は誘電体フィルムの片面に金属蒸着した金属化フィルム１３の金属蒸着面を、金属化フィルムの長手方向及び幅方向に絶縁を兼ねた分割マージン３により同一面積に区画して形成した複数の分割金属蒸着電極で、１２は複数の分割金属蒸着電極１１を金属化フィルム１３の幅方向に並べて接続したヒューズ機能を果す細幅の蒸着金属膜のヒューズ部である。

金属化フィルム１３ａは幅方向の一端部に長手方向に形成した絶縁マージン２を除く片面全体に金属蒸着してあり、金属化フィルム１３と１３ａは互いに絶縁マージン２が重ならないように反対側に位置して巻回または積層し、両側にメタリコンを形成するメタリコン接続部４を有する。

このコンデンサにおいて、絶縁破壊時に自己回復よりも大きな短絡電流が生じた場合、この短絡電流が絶縁破壊の起きた特定の分割金属蒸着電極１１に集中して流れ込む。この短絡電流でヒューズ部１２が発熱飛散することによりヒューズ機能を果たして、短絡した特定の分割金属蒸着電極１１を切り離し、絶縁を回復させる。

しかし、保安機構付金属化フィルムコンデンサは、ヒューズ部が切れることにより分割金属蒸着電極が切り離され、有効電極が減少するため長期荷電による静電容量の減少が大きくなる。

この問題を解決すべく、既に自己保安性と静電容量の減少抑制を両立させる金属化フィルムコンデンサにおける分割金属蒸着電極の蒸着パターンがいくつか開示されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平１０−１５４６３０号公報

上記従来の技術の問題点に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、電流発熱と静電容量の減少の小さい金属化フィルムコンデンサを提供することにある。

しかし、これらの従来技術は、それぞれの分割金属蒸着電極を小さくすることにより、静電容量の減少を小さくすることを目的としており、短絡電流によるコンデンサの発熱を十分考慮していないものである。一般に、蒸着金属膜は厚さ２０〜３０ナノメートルと非常に薄いため、抵抗値が高く、メタリコン接続部４から遠くなるにしたがい、メタリコンまでの抵抗は大きくなる。

そのため、短絡電流は、メタリコン接続部４に近い分割金属蒸着電極１１のところで絶縁破壊が生じた場合、遠いところで生じた場合に比べ大きくなる。すなわち、メタリコン接続部に近いところのヒューズ部は溶断しやすいことになる。この事から、ヒューズ部が切れても静電容量の減少が少なくなるように、メタリコン接続部に近い分割金属蒸着電極の面積を小さくすることが静電容量の減少抑制には有効的である。

しかし、分割金属蒸着電極を小さくすると、それぞれの分割金属蒸着電極をつなぐ抵抗値の高いヒューズ部の数が多くなり、誘電損失（ｔａｎδ）、すなわち発熱が大きくなる。特に金属化フィルムコンデンサをインバータの平滑用などに用いた場合、コンデンサに流れるリプル電流は数キロＨｚの高周波となるため、多くの電流が流れるメタリコン接続部の近傍にヒューズ部が多いと、コンデンサの発熱が大きくなる。

上記目的を達成するために本発明者らは、コンデンサの分割金属蒸着電極の形状とヒューズ部の太さについて鋭意研究を重ねた結果、本発明に到達した。

第１の手段は、フィルム幅方向に並んだ各々一つのヒューズにより接続された複数の長方形状の分割金属蒸着電極の面積が、メタリコン接続部に近づくにつれて大きくすることで、電流発熱の小さい金属化フィルムコンデンサを得ることができる。

第２の手段は、複数の分割金属蒸着電極をフィルムの幅方向のみに接続したヒューズ部の幅を、メタリコン接続部に近づくにつれて複数の分割金属蒸着電極の金属蒸着面積にともなって順次大きくすることで、誘電損失の小さい金属化フィルムコンデンサを得ることができる。

第３の手段は、複数の分割金属蒸着電極が、誘電体フィルムの長手方向の寸法を、全て同じにすることで、分割マージンを形成しやすくする。

第４の手段は、誘電体フィルムの長手方向に並ぶ分割金属蒸着電極は、メタリコン接続部から遠ざかるにつれて数を多くすることで、連続電圧印加時の静電容量の減少が小さい金属化フィルムコンデンサを得ることができる。

以上のように本発明の請求項１記載の金属化フィルムコンデンサによれば、フィルム幅方向に並んだ各々一つのヒューズ部により接続された複数の長方形状の分割金属蒸着電極の面積が、メタリコン接続部に近づくにつれて大きくなるため、高温耐久性に優れたコンデンサを得ることができる。

請求項２記載の金属化フィルムコンデンサによれば、ヒューズ部の幅がメタリコン接続部に近づくにつれ大きくなるため、高周波特性の優れた金属化フィルムコンデンサを得ることができる。

請求項３記載の金属化フィルムコンデンサによれば、分割マージンを容易に形成できるので、金属化フィルムコンデンサの生産コストを抑えることができる。

請求項４記載の金属化フィルムコンデンサによれば、メタリコン接続部から遠ざかるにつれてフィルム長手方向に並ぶ分割金属蒸着電極の数が多くなるため、長期信頼性の高い金属化フィルムコンデンサを得ることができる。

本発明の目的は各請求項に記載した構成を実施の形態の要部とすることにより達成できるのであるが、以下には請求項１ないし４に対応する具体的な実施の形態を図１〜図２にしたがい説明し、併せて効果について実験例に基き説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における金属化フィルムコンデンサの分割金属蒸着電極のパターンを示す図である。

一方の金属化フィルム１は、誘電体フィルムの少なくとも片面に形成した金属蒸着面を、金属を蒸着していない分割マージン３により分割し、誘電体フィルムの幅方向及び長手方向に沿って長方形状の複数の分割金属蒸着電極５ａ、５ｂ、５ｃを形成している。

そして、複数の分割金属蒸着電極５ａ〜５ｃは、金属化フィルム１の幅方向の一端部に、金属化フィルム１の長手方向に沿って形成し、かつメタリコン（図示せず）と接続する金属蒸着のメタリコン接続部４に近づくにつれて金属蒸着面積を大きくしている。すなわち、分割金属蒸着電極５ａ、５ｂ、５ｃのそれぞれは、金属蒸着面積の大きさの関係を、メタリコン接続部４と離れている距離で、分割金属蒸着電極５ａ＞分割金属蒸着電極５ｂ＞分割金属蒸着電極５ｃに設定している。

また、複数の分割金属蒸着電極５ａ〜５ｃは、金属化フィルム１の幅方向にヒューズ部６ｃ、６ｂで電気的に接続されて並び、かつヒューズ部６ａでコンデンサの外部電極を取り出すメタリコン接続部４に電気的に接続している。

絶縁マージン２は、一方の金属化フィルム１と片面全体に金属蒸着電極５を有する他方の金属化フィルム１ａにおける幅方向の他端部に、金属化フィルム１、１ａの長手方向に沿って金属蒸着しないことにより形成され、コンデンサを形成するため一方の金属化フィルム１と他方の金属化フィルム１ａを合わせて巻回または積層する際に、互いに絶縁マージン２同士が重ならないように、それぞれが反対側に位置するようにして巻回または積層することで絶縁を図るものである。

上記構成の金属化フィルムコンデンサは、厚さ４μｍ、幅７５ｍｍのポリプロピレンフィルムの片面に図１の長方形パターンの分割金属蒸着電極５ａ〜５ｃを形成する。ヒューズ部６ａ〜６ｃの幅は０．４ｍｍ、分割金属蒸着電極５ａ〜５ｃの面積比は分割金属蒸着電極５ａ：分割金属蒸着電極５ｂ：分割金属蒸着電極５ｃ＝３：２：１である。

このような分割金属蒸着電極５ａ〜５ｃのパターン蒸着した一方の金属化フィルム１とパターンのない他方の金属化フィルム１ａを重ねて巻取り、メタリコン（亜鉛溶射）によりメタリコン接続部４より外部電極を取り出し金属化フィルムコンデンサを作製した。

なお、外部電極を取り出すための金属蒸着のメタリコン接続部４（亜鉛溶射と密着する部分）の抵抗値は４Ω／ｃｍ²、分割金属蒸着電極の抵抗値は９Ω／ｃｍ²とし、分割金属蒸着電極の蒸着金属はアルミニウムと亜鉛の混合蒸着により形成した。

（実施の形態２）
本実施の形態における金属化フィルムコンデンサは、ヒューズ部の構成を除く、コンデンサの基本的な構成並びに作用効果が、実施の形態１の発明と同じなので、図１を利用して詳細な説明を省略し、異なるところを中心に説明する。

一方と他方の金属化フィルム１、１ａは図１の金属蒸着電極のパターンを用いており、ヒューズ部６ａ〜６ｃは、その幅をメタリコン接続部４に近づくにつれて大きく形成している。具体的にはその幅をヒューズ部６ａが０．５ｍｍ、ヒューズ部６ｂが０．４ｍｍ、ヒューズ部６ｃが０．３ｍｍとした以外は、実施の形態１に準じてコンデンサを作製した。

（実施の形態３）
図２は、本発明の実施の形態３における金属蒸着電極のパターンを示す図である。一方の金属化フィルム７は、誘電体フィルムの少なくとも片面に形成した金属蒸着面を、金属を蒸着していない分割マージン３により分割し、誘電体フィルムの幅方向及び長手方向に沿って長方形状の複数の分割金属蒸着電極７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄを形成している。

そして、複数の分割金属蒸着電極７ａ〜７ｄは、金属化フィルム７の幅方向の一端部に、金属化フィルム７の長手方向に沿って形成し、かつメタリコン（図示せず）と接続する金属蒸着のメタリコン接続部４に近づくにつれて金属蒸着面積を大きくしている。但し、メタリコン接続部４から最も離れている分割金属蒸着電極のところは、実施の形態１と異なり、金属蒸着電極７ｃ、７ｄの同一面積の二つに分割している。

すなわち、分割金属蒸着電極７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄのそれぞれは、金属蒸着面積の大きさの関係を、メタリコン接続部４と離れている距離で、分割金属蒸着電極７ａ＞分割金属蒸着電極７ｂ＞分割金属蒸着電極７ｃ、分割金属蒸着電極７ｄに設定している。

また、複数の分割金属蒸着電極７ａ〜７ｄは、金属化フィルム１の幅方向にヒューズ部８ｂ、８ｃ、８ｄで電気的に接続されて並び、かつヒューズ部８ａでコンデンサの外部電極を取り出すメタリコン接続部４に電気的に接続している。ヒューズ部８ａ〜８ｄは、その幅をメタリコン接続部４に近づくにつれて大きく形成している。

絶縁マージン２は、一方の金属化フィルム７と片面全体に金属蒸着電極５を有する他方の金属化フィルム７０の幅方向の他端部に、金属化フィルム７、７０の長手方向に沿って金属蒸着しないことにより形成され、コンデンサを形成するため一方の金属化フィルム７と他方の金属化フィルム７０を合わせて巻回または積層する際に、互いに絶縁マージン２同士が重ならないように、それぞれ反対側に位置することで絶縁を図るものである。

上記構成の金属化フィルムコンデンサは、図２に示す金属蒸着電極のパターンを用い、そしてヒューズ部の幅を、ヒューズ部８ａが０．５ｍｍ、ヒューズ部８ｂが０．３ｍｍ、ヒューズ部８ｃが０．２ｍｍ、ヒューズ部８ｄが０．２ｍｍとし、分割金属蒸着電極７ａ〜７ｄの面積比を、分割金属蒸着電極７ａ：分割金属蒸着電極７ｂ：分割金属蒸着電極７ｃ：分割金属蒸着電極７ｄ＝４：３：１：１とした以外は実施の形態１に準じてコンデンサを作製した。

（比較例１）
比較例１の金属化フィルムコンデンサは、図３に示す従来の分割金属蒸着電極のパターンを用い、ヒューズ部の幅を０．５ｍｍとした以外は実施の形態１に準じてコンデンサを作製した。

（比較例２）
比較例２の金属化フィルムコンデンサは、図３に示す従来の分割金属蒸着電極のパターンを用い、ヒューズ部の幅を０．３ｍｍとした以外は実施の形態１に準じてコンデンサを作製した。

実施の形態１〜３、比較例１〜２で作製した各金属化フィルムコンデンサの静電容量と、誘電損失（ｔａｎδ）と、７５℃の温度で、６５０Ｖ（ＡＣ）と９０℃の温度で、１ＫＶ（ＤＣ）を通電した時の静電容量の減少が５％を超えた時間と、１０ｋＨｚで１０Ａｒｍｓの電流を流した時のコンデンサの温度上昇値を（表１）に示す。但し、全て５個のコンデンサで試験を行なった。静電容量とｔａｎδは５個の平均値である。温度の測定場所はコンデンサの外周部の中央である。また、（表１）において×印は試験中に１個以上のコンデンサがショートしたことを表している。

（表１）から明らかなように、分割金属蒸着電極の面積が同じで、ヒューズ部の幅が０．５ｍｍの比較例１では、実施の形態１に比べ温度上昇が１．５℃高く、高温でコンデンサがショートした。また、分割金属蒸着電極の面積が同じで、ヒューズ部の幅を０.３ｍｍとした比較例２ではショートはなかったが、温度上昇が大きく、容量減少が５％に達する時間が短かった。

実施の形態１では、分割金属蒸着電極５ａ〜５ｃの形状は、メタリコン部４に近づくにつれ分割金属蒸着電極の面積を広くしているため、温度上昇が小さく、試験中にショートもないことがわかる。

実施の形態２では、メタリコン部に近づくにつれヒューズ部６ａ〜６ｃの幅を広くしているため、実施の形態１よりもさらに温度上昇が小さいことがわかる。

実施の形態３では、メタリコン接続部４から１番遠い分割金属蒸着電極７ｃ、７ｄの数をメタリコン接続部４から１番近い分割金属蒸着電極７ａの数の２倍にしているため、容量減少が５％に到達する時間が長くなっていることがわかる。

このように本発明によれば、電流発熱の小さく、かつ容量減少が小さく、かつ保安性が高い金属化フィルムコンデンサを得ることができる。

なお、フィルムとしてポリプロピレンを用いたが、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリフェニルサルファイド、ポリスチレンなどのプラスチックフィルムでも良いことはいうまでもない。

また、蒸着金属としてはアルミニウムと亜鉛の混合蒸着を用いたが、これに限定されるものではなく銀、銅などの金属を単独、もしくは複合して用いても良い。さらに、本実施の形態では、ヒューズ部の幅の割合を０．５ｍｍから０．２ｍｍに設定したが、これに限定されるものではない。分割金属蒸着電極の面積や金属蒸着電極の抵抗値にもよるが、ヒューズ部の幅は０．８ｍｍから０．２ｍｍにするのが好ましい。さらにまた、本実施の形態のコンデンサでは片面に複数の分割金属蒸着電極を形成したものと片面全体に金属蒸着電極を形成したものの、２枚の金属化フィルムを巻回または積層したが、同じ誘電体フィルムにおける表裏の一方の面に分割金属蒸着電極を、他方の面全体に金属蒸着電極を形成し、未蒸着の誘電体フィルムと重ねて巻回または積層しても良い。

本発明の金属化フィルムコンデンサによると、電流発熱の小さく、かつ容量減少が小さく、かつ保安性を高くすることができ、高温下で長期間使用される金属化フィルムコンデンサなどに有用である。

本発明の実施の形態１および２における金属化フィルムコンデンサの金属蒸着電極パターンを示す図 本発明の実施の形態３における金属化フィルムコンデンサの金属蒸着電極パターンを示す図 従来の金属化フィルムコンデンサの金属蒸着電極パターンを示す図

１、１ａ、７、７０、９、９０ 金属化フィルム
２ 絶縁マージン
３ 分割マージン
４ メタリコン接続部
５ 金属蒸着電極
５ａ〜５ｃ、７ａ〜７ｄ 分割金属蒸着電極
６ａ〜６ｃ、８ａ〜８ｄ ヒューズ部

Claims (4)

1. 別々の誘電体フィルムの片側端部、または同じ誘電体フィルムの表裏両面の片側端部に設けられる絶縁マージンを除き、少なくとも片面に金属蒸着した金属蒸着面を有する金属化フィルムを、それぞれの絶縁マージンが反対側に位置するように巻回または積層し、金属化フィルムの幅方向の両端にメタリコンを形成する金属化フィルムコンデンサであって、前記金属蒸着面は金属化フィルムにおける幅方向の一方の端部にメタリコンと接続するメタリコン接続部と、金属化フィルムの幅方向に並ぶ複数の長方形状の分割金属蒸着電極とを備え、前記複数の長方形状の分割金属蒸着電極は、前記メタリコン接続部に近づくにつれて金属蒸着面積を大きくしてなるとともに、フィルム幅方向に並んだ各々一つのヒューズ部により接続されている金属化フィルムコンデンサ。
2. ヒューズ部はその幅を、メタリコン接続部に近づくにつれて大きくしてなる請求項１記載の金属化フィルムコンデンサ。
3. 複数の分割金属蒸着電極は、誘電体フィルムの長手方向の寸法をすべて同一にしてなる請求項１または請求項２記載の金属化フィルムコンデンサ。
4. 複数の分割金属蒸着電極は、メタリコン接続部から遠ざかるにしたがい誘電体フィルムの長手方向に並ぶ分割金属蒸着電極の数が多くなる請求項１から３のいずれかに記載の金属化フィルムコンデンサ。

Images