JP5131193B2 - 金属化フィルムコンデンサ - Google Patents

Description

本発明は、各種電子機器、電気機器、産業機器、自動車等に使用され、特に、ハイブリッド自動車のモータ駆動用インバータ回路の平滑用、フィルタ用、スナバ用に最適な、金属化フィルムコンデンサに関するものである。

近年、環境保護の観点から、あらゆる電気機器がインバータ回路で制御され、省エネルギー化、高効率化が進められている。中でも自動車業界においては、電気モータとエンジンで走行するハイブリッド車（以下、ＨＥＶと呼ぶ）が市場導入される等、地球環境に負担をかけず、省エネルギー化、高効率化に関する技術の開発が活発化している。

このようなＨＥＶ用の電気モータは使用電圧領域が数百ボルトと高いため、このような電気モータに関連して使用されるコンデンサとして、高耐電圧で低損失の電気特性を有する金属化フィルムコンデンサが注目されており、さらに市場におけるメンテナンスフリー化の要望からも、極めて寿命が長い金属化フィルムコンデンサを採用する傾向が目立っている。

そして、この種の金属化フィルムコンデンサは、自動車に搭載されることから高い耐熱性と高耐電圧化が要求され、高耐熱、高耐電圧化のための開発と提案が種々行われているものであった。

図４は、この種の従来の金属化フィルムコンデンサの構成を示した斜視図である。図４において、第１の金属化フィルム２１は、ポリプロピレンフィルム等の第１の誘電体フィルム２２の表面に、金属蒸着により電極被膜２３が形成されている。マージン部２２ａには、電極被膜２３は形成されていない。格子状になった第１スリット２２ｂにも、電極被膜２３は形成されていない。第１ヒューズ部２３ｂには、機能部分の細分化された単位コンデンサであるセグメント部２３ａをそれぞれ接続している。第２ヒューズ部２３ｃは、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２２ｃにより分離された機能部分の蒸着電極と、電極引き出し部分の蒸着電極とを接続している。

第２の金属化フィルム２４は、上記第１の金属化フィルムと同様に、第２の誘電体フィルム２５、マージン部２５ａ、格子状の第１スリット２５ｂ、第２スリット２５ｃ、電極被膜２６、セグメント部２６ａ、第１ヒューズ部２６ｂ、第２ヒューズ部２６ｃを有している。さらに、この金属化フィルムコンデンサは、リード引き出し用の金属吹き付け部２７、２８を有している。

このように構成された従来の金属化フィルムコンデンサは、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相互間、及びコンデンサの機能部分と電極引き出し部分間にヒューズ部を設ける。そして、異常時にヒューズ部を切り離すことによって、絶縁破壊することなく容量減少を最小限にとどめて、コンデンサの機能を確保する。それと共に、第１ヒューズ部により絶縁破壊時の短絡電流を遮断できないような異常時においても、第２ヒューズ部によりコンデンサの機能部分と電極引き出し部分とを切り離すことによって、短絡モードの故障を確実に回避し、絶縁破壊に対する信頼性を格段に向上させることができる。そのため、従来のコンデンサに比較して絶縁性能に対する信頼性が飛躍的に向上し、小型・軽量のコンデンサを提供することが可能となるものであった。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。

しかしながら上記従来の金属化フィルムコンデンサでは、金属蒸着による電極パターンを工夫することにより、異常時にヒューズ部を切り離すことによって絶縁破壊することなく、容量減少を最小限にとどめて絶縁破壊に対する信頼性を格段に向上させてはいる。しかしながら、誘電体フィルムの材料として一般的にポリプロピレンフィルム（以下、ＰＰフィルムと呼ぶ）を用いているために耐熱性が低く（約１１０℃程度）、自動車用として要求される過酷な耐熱温度（１５０℃）を満足することができないという課題があった。

このために、誘電体フィルムの材料として、ポリエチレンナフタレート（以下、ＰＥＮと呼ぶ）、ポリフェニレンサルファイト（以下、ＰＰＳと呼ぶ）、ポリエチレンテレフタレート（以下、ＰＥＴと呼ぶ）等の無機フィラーを含有した誘電体フィルムを用いることによって、耐熱性向上を図ることが考えられる。しかしながらまた、例えばＰＥＮフィルムを用いた場合には十分な耐熱性能は得られるものの耐電圧が低いという問題があり、従来のＰＰフィルムで培われた金属蒸着による電極パターンをそのまま転用しても耐電圧性能を十分に満足することができないという課題があった。
特開平８−２５０３６７号公報

本発明はこのような従来の課題を解決し、従来のＰＰフィルムを用いたものと比較して、高耐熱、高耐電圧化を同時に達成することが可能な金属化フィルムコンデンサを提供するものである。

上記課題を解決するために本発明は、無機フィラーを含有した誘電体フィルム上にアルミニウムからなる金属蒸着電極を形成した一対の金属化フィルムを、上記金属蒸着電極が誘電体フィルムを介して対向するように積層または巻回した素子と、この素子の両端面に金属溶射によって形成されたメタリコン電極からなる金属化フィルムコンデンサにおいて、上記一対の金属化フィルムの少なくとも一方の金属蒸着電極に分割電極部を設ける。それと共に、この分割電極部をヒューズ部で接続することにより構成される自己保安機能を設け、かつ、上記ヒューズ部の幅ａと、金属化フィルムの長手方向における分割電極部の長さｂの比で示される蒸着パターンのパス率ａ／ｂを０．４％以上１．０％以下とし、誘電体フィルムとしてポリエチレンナフタレート、ポリフェニレンサルファイト、ポリエチレンテレフタレートのいずれかを用いたものである。

以上のように本発明による金属化フィルムコンデンサは、ヒューズ部の幅ａと、誘電体フィルムの長手方向における分割電極部の長さｂの比で示される蒸着パターンのパス率ａ／ｂを０．４以上１．０以下とした構成、すなわち、ヒューズ部幅を狭く、分割電極部を広くした構成により、無機フィラーを含有した誘電体フィルム上に金属蒸着電極を形成した構成の金属化フィルムコンデンサにおいて、小さいエネルギーで金属蒸着電極がピンポイントで蒸発してエリアが切り離される。そのため、自己保安機能の動作性が向上し、かつ、耐電圧の向上を図ることができるようになる。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１について説明する。

図１は、本発明の実施の形態１による金属化フィルムコンデンサに使用される、金属化フィルムの構成を示した要部平面図である。図１において、金属化フィルム１は、厚みが２．０μｍ、幅が３０ｍｍの帯状のポリエチレンナフタレートフィルム（以下、ＰＥＮフィルムと呼ぶ）を誘電体フィルムとして用い、このＰＥＮフィルムの表面に非金属蒸着部となるスリット部２を設けて、アルミニウムからなる金属蒸着電極を形成することにより、複数の分割電極部３を形成する。それと共に、この分割電極部３どうしをヒューズ部４で並列接続するように構成したものである。また、非金属蒸着部となるマージン部５を有している。

そして、このように構成された金属化フィルム１を一対とし、上記金属蒸着電極が誘電体フィルムを介して対向するように巻回して素子を作製し、この素子の両端面に金属溶射によってメタリコン電極を形成することにより、本実施の形態１による金属化フィルムコンデンサが構成される。

このように構成された金属化フィルム１に形成するヒューズ部４の幅をａ、金属化フィルム１の長手方向における分割電極部３の長さをｂとしたとき、その比率で示されるａ／ｂを蒸着パターンのパス率と定義し、このパス率ａ／ｂを変化させた場合のコンデンサの耐電圧特性を確認した結果を表１に示す。

なお、作製した金属化フィルムコンデンサの容量は各々１００μＦとし、初期耐電圧歩留まり試験は金属化フィルムの状態で、１０個の母集団について行った。電圧ステップアップ試験は１２０℃の雰囲気で所定の時間毎に印加電圧をアップさせる試験を行い、容量が−５％、−９７％になった時点の電圧を求めた。また、サンプルＮｏ．４は、ＰＰフィルムを誘電体フィルムとして用いた従来品の場合に、主として形成される金属蒸着パターンのパス率を示したものである。

表１から明らかなように、本実施の形態１による金属化フィルムコンデンサは、ＰＥＮフィルムを誘電体フィルムとして用いた金属化フィルム１に形成する金属蒸着電極のパス率ａ／ｂを、４．０以下とすることにより初期耐電圧歩留まりに優れたものとなる。そしてなおかつ、電圧ステップアップ試験においても、ＰＰフィルムを誘電体フィルムとして用いた従来品と同等、もしくはそれ以上の耐電圧特性を示し、特に、パス率ａ／ｂを１．０以下とすることによって、より顕著な効果を発揮することができる。ただし、パス率ａ／ｂが０．３になると耐電圧特性も頭打ちになることから、パス率ａ／ｂは４．０以下、好ましくは１．０〜０．４の範囲である。

続いて、上記パス率ａ／ｂが１．０〜０．４の範囲であるサンプルＮｏ．６〜９について、金属蒸着電極の抵抗値を変化させた場合のコンデンサの耐電圧特性を確認した結果を、表２、表３に示す。

なお、表２は、ＰＰフィルムを誘電体フィルムとして用いた従来品の一般的な抵抗値（面抵抗１５Ω／□）の約２倍となる抵抗値（面抵抗２５Ω／□）、表３は同約３倍となる抵抗値（面抵抗４５Ω／□）として作製したものであり、試験方法については上記表１の試験と同様にして行ったものである。

表２、表３から明らかなように、金属蒸着電極の抵抗値を高くするにつれて耐電圧特性が向上し、より高耐電圧化を図ることができる。

以上のように、本発明による金属化フィルムコンデンサは、無機フィラーを含有した誘電体フィルム上に金属蒸着電極を形成する際に、ヒューズ部の幅ａと、金属化フィルムの長手方向における分割電極部の長さｂの比で示される、蒸着パターンのパス率ａ／ｂを４．０以下、好ましくは１．０〜０．４とする。すなわち、ヒューズ部の幅を広く、分割電極部を広くした構成にすることにより、小さいエネルギーで金属蒸着電極がピンポイントで蒸発してエリアが切り離される。そのため、自己保安機能の動作性が向上し、かつ、耐電圧の向上を図ることができるため、高耐熱・高耐電圧化を同時に達成することができる。

なお、本実施の形態においては、無機フィラーを含有した誘電体フィルムとしてＰＥＮフィルムを用いた例で説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、ポリフェニレンサルファイト（ＰＰＳ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）を材料とした誘電体フィルムを用いても、同様の効果が得られる。

（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２について説明する。

本実施の形態２は、実施の形態１で図１を用いて説明した、金属化フィルムコンデンサに使用される金属化フィルムに形成された金属蒸着電極の構成が、一部異なるようにしたものである。これ以外の構成は実施の形態１と同様であるために、同一部分には同一の符号を付与してその詳細な説明は省略し、異なる部分についてのみ、以下に図面を用いて詳細に説明する。

図２は、本発明の実施の形態２による金属化フィルムコンデンサに使用される、一対の金属化フィルムを重ね合わせた状態を示した要部平面図である。図２において、第１の金属化フィルム６は、実施の形態１で説明した金属化フィルム１と同様に、非金属蒸着部となるスリット部２を設けて、アルミニウムからなる金属蒸着電極を形成することにより、複数の分割電極部３を形成する。それと共に、この分割電極部３どうしをヒューズ部４で並列接続するように構成され、幅方向の一端側には非金属蒸着部となるマージン部５が設けられている。マージン部５と異なる側の一端に設けられた低抵抗部７は、アルミニウムを蒸着することにより形成されたものである。

第２の金属化フィルム８には、非金属蒸着部となるマージン部９を除いて、アルミニウムからなる金属蒸着電極１０が形成されると共に、上記マージン部９と異なる側の一端には、アルミニウムからなる低抵抗部１１が設けられている。

そして、このように構成された第１の金属化フィルム６と第２の金属化フィルム８を重ね合わせた状態で、第１の金属化フィルム６に設けたヒューズ４が、対向する第２の金属化フィルム８の金属蒸着電極１０と重なり合わないように構成されている。このような構成にすることにより、金属化フィルムを構成する誘電体フィルムにＰＥＮフィルムを用いた場合に、ＰＥＮフィルムは一般に多用されているＰＰフィルムと比較してヒューズの動作性が悪いため、ヒューズが動作した際にＰＥＮフィルムが炭化して短絡し易いという短所を改良して、ヒューズの動作性を向上させることができる。

また、低抵抗部７、１１は、電極取り出しを行うメタリコン電極（図示せず）とのコンタクト性を向上させる目的で設けるものである。そのために亜鉛を用いて形成するのが好ましいが、この低抵抗部７、１１を形成する際に亜鉛がはみ出し、このはみ出した亜鉛の広がり部分によってセルフヒーリング（ＳＨ）性が悪くなり、ヒューズ部４を動作させる要因になる可能性がある。そのため、ＰＥＮフィルムを用いる場合には、低抵抗部７、１１は設けないほうが好ましい。しかしながら、低抵抗部７、１１を設ける場合には、金属蒸着電極１０と同じ材料であるアルミニウムを用いて形成し、かつ、対向する分割電極３ならびに金属蒸着電極１０と重なり合わない部分に低抵抗部７、１１を設けるようにすれば、上述の問題を回避することができる。

このような効果を確認する目的で、ＰＥＮフィルムを誘電体フィルムとして用い、低抵抗部を設けないもの、亜鉛からなる低抵抗部を対向する分割電極ならびに金属蒸着電極と重なり合わない部分に設けたもの、アルミニウムからなる低抵抗部を同様に設けたもの、の３種類のサンプルを作製して、容量変化率を確認した結果を表４に示す。なお、試験方法としては、８５０ＶのＤＣ電圧を１分間印加した時の、容量変化率が−３％を超えるものを不良としてカウントしたものである。

表４から明らかなように、ＰＥＮフィルムを誘電体フィルムとして用い、亜鉛からなる低抵抗部を設けたものは、容量変化率が−３％を超えるものが多数発生する。それに対し、低抵抗部を設けないもの、ならびに低抵抗部をアルミニウムにより形成したものは、容量変化率が少なく、不良の発生がないことが分かる。

（実施の形態３）
以下、本発明の実施の形態３について説明する。

図３Ａは、本発明の実施の形態３による金属化フィルムコンデンサの素子を示した斜視図、図３Ｂは、同素子の巻芯の不具合を示した正面図、図３Ｃは、同素子の巻芯の不具合の他の形態を示した正面図である。図３Ａ〜３Ｃにおいて、ＰＥＮフィルムを誘電体フィルムとして用いた巻回形の偏平形状の素子１２の長径をＡ、短径をＢとした。

このように構成された素子１２は、円筒状の巻芯１３を作製し、この巻芯１３上に実施の形態１または実施の形態２に記載の金属化フィルムを巻回することによって円柱状の素子１２を作製した後、これをプレス加工することによって偏平形状にしたものである。

このような素子１２において、もしも、巻芯１３が薄い場合には図３Ｂに示すように、巻芯１３の両端部が鋭角に折れ曲がってしまい、この鋭角に折れ曲がった部分に近接する金属化フィルムも、鋭角に折れ曲がってしまう。そのため、金属化フィルムを構成するＰＥＮフィルムに含有されたフィラーが欠落してしまい、これによって容量低下や耐電圧低下、更には短絡が発生する恐れもある。このような巻芯１３の厚みによる容量変化率を確認した結果を、表５に示す。なお、試験方法としては、８５０ＶのＤＣ電圧を１分間印加した時の容量変化率が、−３％を超えるものを不良としてカウントした。

表５から明らかなように、巻芯１３の厚みが１．５ｍｍ以下のものでは容量変化率が−３％を超えるものが多数発生するのに対し、巻芯１３の厚みを２ｍｍ以上にしたものは容量変化率が少なく、不良の発生がないことが分かる。

このような結果から、本実施の形態３では、巻芯１３の厚みを２ｍｍ以上とした。

また、素子１２の長径をＡ、短径をＢとした偏平率Ａ／Ｂが大きいと、図３Ｃに示すように、偏平に潰した巻芯１３の一部にしわが発生するため、これによって容量低下や耐電圧低下が発生する恐れがある。このような偏平率Ａ／Ｂによる容量変化率を確認した結果を、表６に示す。なお、試験方法としては、８５０ＶのＤＣ電圧を１分間印加した時の容量変化率が−３％を超えるものを不良としてカウントした。

表６から明らかなように、偏平率Ａ／Ｂが３を超えると、容量変化率が−３％を超えるものが多数発生するのに対し、偏平率Ａ／Ｂが３以下のものは容量変化率が少なく、不良の発生がないことが分かる。

このような結果から、本実施の形態３では、素子１２の偏平率Ａ／Ｂを３．０以下とした。このようにすることによって、偏平に潰した巻芯１３にしわが発生することなく、容量低下や耐電圧低下が発生することがない金属化フィルムコンデンサの素子１２を得ることができる。

本発明による金属化フィルムコンデンサは、高耐熱・高耐電圧化を同時に達成することができ、特に過酷な使用条件が要求される自動車用のコンデンサ等として有用である。

本発明の実施の形態１による金属化フィルムコンデンサに使用される、金属化フィルムの構成を示した要部平面図 本発明の実施の形態２による金属化フィルムコンデンサに使用される、一対の金属化フィルムを重ね合わせた状態を示した要部平面図 本発明の実施の形態３による金属化フィルムコンデンサの素子を示した斜視図 同素子の巻芯の不具合を示した正面図 同素子の巻芯の不具合の他の形態を示した正面図 従来の金属化フィルムコンデンサの構成を示した斜視図

符号の説明

１ 金属化フィルム
２ スリット部
３ 分割電極部
４ ヒューズ部
５，９ マージン部
６ 第１の金属化フィルム
７，１１ 低抵抗部
８ 第２の金属化フィルム
１０ 金属蒸着電極
１２ 素子
１３ 巻芯
１３ａ 巻芯のしわ

Claims (5)

1. 無機フィラーを含有した誘電体フィルム上にアルミニウムからなる金属蒸着電極を形成した一対の金属化フィルムを前記金属蒸着電極が誘電体フィルムを介して対向するように積層または巻回した素子と、前記素子の両端面に金属溶射によって形成されたメタリコン電極からなる金属化フィルムコンデンサにおいて、
   前記一対の金属化フィルムの少なくとも一方の前記金属蒸着電極に分割電極部を設け、
   前記分割電極部をヒューズ部で接続し、
   前記ヒューズ部の幅ａと、前記金属化フィルムの長手方向における前記分割電極部の長さｂの比で示される蒸着パターンのパス率ａ／ｂを０．４％以上１．０％以下とし、
   前記誘電体フィルムとしてポリエチレンナフタレート、ポリフェニレンサルファイト、ポリエチレンテレフタレートのいずれかを用いた、
   金属化フィルムコンデンサ。
2. 前記分割電極部を接続する前記ヒューズ部を、対向する前記金属化フィルムにおいて前記金属蒸着電極が存在する領域以外の領域に設けた、
   請求項１に記載の金属化フィルムコンデンサ。
3. 対向する前記金属化フィルムにおいて前記分割電極ならびに前記金属蒸着電極が存在する領域以外の領域に、前記分割電極ならびに前記金属蒸着電極の膜抵抗値よりも低い抵抗値となる低抵抗部を夫々設けた、
   請求項１に記載の金属化フィルムコンデンサ。
4. 前記素子として巻回形の偏平素子を用い、前記偏平素子の長径側をＡ、短径側をＢとした偏平率Ａ／Ｂが３．０以下である、
   請求項１に記載の金属化フィルムコンデンサ。
5. 前記偏平素子の巻芯の厚さを２ｍｍ以上とした、
   請求項４に記載の金属化フィルムコンデンサ。

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