JP5786827B2

JP5786827B2 - 金属化フィルムコンデンサ

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Publication number: JP5786827B2
Application number: JP2012187979A
Authority: JP
Inventors: 孝博濟藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-08-28
Filing date: 2012-08-28
Publication date: 2015-09-30
Anticipated expiration: 2032-08-28
Also published as: JP2014045147A

Description

本発明は、巻回し型の金属化フィルムコンデンサに関するものである。

従来の金属化フィルムを巻き回してなる巻回し型の金属化フィルムコンデンサは、巻き回してなる金属化フィルム柱体の両端の２つの電極取り出し面に金属溶射部（もしくはメタリコン、メタリコン電極）が形成され、これら２つの金属溶射部に外部引き出し端子をはんだ接合することで製造されている。なお、積層型の金属化フィルムコンデンサに関しても、金属化フィルムが積層して金属化フィルム柱体を形成する以外は実質的に巻回し型と同様の構造を呈している。

図５を参照して従来の金属化フィルムと２つの金属溶射部の関連構造を説明する。同図で示すように、金属蒸着膜ｋ１、ｋ２がそれぞれ誘電体フィルムｆ１、ｆ２の一側面に形成されて金属化フィルムｆａ，ｆｂが構成され、これら２枚の金属化フィルムｆａ，ｆｂを積層して一組の金属化フィルムｆとし、この一組の金属化フィルムｆを巻き回すことで金属化フィルム柱体ｃが製造される。ここで、一方の金属化フィルムｆａを構成する誘電体フィルムｆ１の一側面に形成された金属蒸着膜ｋ１は、その長手方向に沿う一方端が一方の金属溶射部ｄ（一方の電極）に密着しており、その長手方向に沿う他方端には、他方の金属溶射部ｄ（他方の電極）から絶縁されるべく、たとえば2mm程度の隙間領域（絶縁マージン領域ｍｇ）、すなわち非蒸着部領域が設けられている。

一方、一組の金属化フィルムｆを構成する他方の金属化フィルムｆｂは、上記する一方の金属化フィルムｆａと反対側に絶縁マージン領域ｍｇを形成し、反対側の金属溶射部ｄ（他方の電極）に密着することにより、一組の金属化フィルムｆそれぞれの金属蒸着膜ｋ１、ｋ２がそれぞれ別個の金属溶射部ｄ、ｄと密着する構造を形成している。２つの金属溶射部ｄのそれぞれに外部引き出し端子ｂがはんだ接合ｈされることで、金属化フィルムコンデンサＫＣが形成される。なお、このような２枚一組の金属化フィルムを巻き回し、その両端に金属溶射部が形成された構成の金属化フィルムコンデンサが特許文献１に開示されている。

このように、従来の金属化フィルムコンデンサでは、２枚一組の金属化フィルムを構成するそれぞれの金属蒸着膜が一方の金属溶射部のみと密着していることから、発熱源である金属蒸着膜からの放熱経路は主として一方の金属溶射部に向かう経路のみとなり、十分な放熱性が得られていないという課題がある。なお、誘電体フィルムとして一般に適用されているポリプロピレンフィルムを例示するに、その熱伝導率は0.18W/mK程度であり、たとえば金属蒸着膜をアルミニウムから形成する際の熱伝導率：236W/mK程度と比べて極めて低い熱伝導率であることから、誘電体フィルムから金属溶射部への放熱は期待できない。

昨今の金属化フィルムコンデンサの小型化にともない、高誘電率の誘電体フィルムが使用されることも多くなっているが、このような高誘電率の誘電体フィルムでは誘電正接がより一層大きくなることからフィルム自体の発熱量も多くなり、これにコンデンサ自体の小型化が相俟って発熱密度がさらに上昇し、コンデンサがより一層高温になってしまう。

この放熱性に関する課題に対して、特許文献２では、巻装形式で円柱状の金属化フィルムコンデンサに関し、フィルムコンデンサの幅（円柱の高さ）をL、円柱の直径をDとした際に、DをLよりも大きく形成してなるフィルムコンデンサが開示されている。DをLよりも大きく形成する、すなわち、D/L＞1を満たすようにフィルムコンデンサを形成することで、コンデンサの静電容量を保ちつつ、電極膜の電気抵抗成分を下げることができ、このことによってコンデンサ素子の等価直列抵抗を低くすることができ、コンデンサ素子に流れるリプル電流による発熱を抑えることができるというものである。

しかしながら、特許文献２では誘電体フィルムに起因する発熱が一切考慮されていないことから、この誘電体フィルムに起因する発熱を考慮したコンデンサ全体の発熱を十分に抑制できるか否かは不明である。また、単にD/L＞１の条件では発熱量が放熱量よりも大きくなる可能性は極めて高く、発熱量から放熱量を減じたいわゆる熱収支をゼロ未満とすることはできない。

特開２００９−０４４０４０号公報特開２０１１−１１４０９２号公報

本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、誘電体フィルムに起因する発熱が考慮された金属化フィルムコンデンサ全体の発熱に対し、放熱性に優れた金属化フィルムコンデンサを提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明による金属化フィルムコンデンサは、金属化フィルムを巻き回してなる金属化フィルム柱体の２つの円形の電極取り出し面に金属溶射部が形成され、該金属溶射部に外部引き出し端子が接合されてなる金属化フィルムコンデンサであって、前記金属化フィルムは、誘電体フィルムと、誘電体フィルムの一側面において誘電体フィルムの長手方向に延びる隙間を置いて併設された第１、第２の金属蒸着膜とから構成されており、金属化フィルム柱体は、前記隙間からなる絶縁部を挟んで２つの金属溶射部側にそれぞれ第１の金属蒸着膜に対応する第１のコンデンサと第２の金属蒸着膜に対応する第２のコンデンサを具備しており、金属化フィルム柱体において、一方の金属溶射部から他方の金属溶射部へ向かう方向を幅方向、これに直交する方向を径方向とし、第１、第２のコンデンサの幅方向の幅をt1、径方向の電極取り出し面の直径をt2とした場合に500≦t2/t1≦4000を満たしているものである。

本発明の金属化フィルムコンデンサは、円柱状の金属化フィルム柱体において絶縁部を挟んで２つのコンデンサ（第１、第２のコンデンサ）を併設した構成とし、それぞれのコンデンサの幅（高さ）をt1、直径をt2とした際に、500≦t2/t1≦4000を満たすことにより、100μF以下の静電容量範囲において、発熱量から放熱量を減じたいわゆる熱収支をゼロ未満とすることを可能としたものである。ここで、この発熱量には誘電体フィルムに起因する発熱量も考慮されている。なお、100μFの静電容量は、一般に使用可能な静電容量の中でも低めの値である。

しかし、500≦t2/t1≦4000を満たすことは、フィルムの巻き回し長さが増加することを意味しており、このことによって製造時間が長くなってしまう。そこで、この巻装工程における製造時間の長時間化の問題を解消するべく、１つの金属化フィルム柱体（金属化フィルムコンデンサ）の中に絶縁部を挟んで２つのコンデンサを併設したことにより、巻装工程が長くなることを、一度で２つのフィルムコンデンサを製造することによって相殺することができる。

ここで、金属化フィルム柱体は、ポリプロピレン（PP）やポリフェニレンサルファイド（PPS）などからなる誘電体フィルムの表面にアルミニウムや亜鉛などからなる金属蒸着膜が形成されてなる金属化フィルムを２枚積層して一組とし、双方の金属化フィルムが相互に反対側の端部に隙間によって形成された絶縁マージン領域を有し、それぞれの金属蒸着膜が対応する一方の金属溶射部（メタリコン電極）に接触するようになっている。そしてさらに、誘電体フィルムの一側面には誘電体フィルムの長手方向に延びる隙間を置いて併設された第１、第２の金属蒸着膜が形成されており、一組の金属化フィルムを巻装した際に第１の金属蒸着膜に対応する第１のコンデンサと第２の金属蒸着膜に対応する第２のコンデンサが形成される。

巻回し型の金属化フィルム柱体の両端の電極取り出し面には亜鉛などからなる金属溶射部が形成され、この金属溶射部に棒状や板状のバスバーなどからなる外部引き出し端子の一部がはんだ付け等される。

なお、アルミニウムや樹脂などからなるケース内に金属化フィルム柱体が配設された姿勢で、このケース内にエポキシ樹脂やシリコーン樹脂、ウレタン樹脂などの樹脂がモールドされてモールド樹脂体が形成された形態の金属化フィルムコンデンサであってもよい。この形態の金属化フィルムコンデンサによれば、モールド樹脂体によって金属化フィルムコンデンサの防水性と防振性の双方の性能を向上させることができる。

以上の説明から理解できるように、本発明の金属化フィルムコンデンサによれば、誘電体フィルムに起因する発熱を含んだ金属化フィルムコンデンサ全体の発熱に対し、放熱性に優れた金属化フィルムコンデンサを提供することができる。

本発明の金属化フィルムコンデンサの斜視図である。図１のII−II矢視図であって、金属化フィルムコンデンサの縦断面図である。金属化フィルムを巻装している状況を説明した模式図である。 t2/t1(第１、第２のコンデンサの幅（高さ）をt1、直径をt2)と熱収支に関する解析結果を示して図である。従来の金属化フィルムコンデンサを説明した縦断面図である。

以下、図面を参照して本発明の金属化フィルムコンデンサの実施の形態を説明する。なお、図示を省略するが、アルミニウムや樹脂などからなるケース内に金属化フィルム柱体が配設された姿勢で、このケース内にエポキシ樹脂やシリコーン樹脂、ウレタン樹脂などの樹脂がモールドされてモールド樹脂体が形成された金属化フィルムコンデンサであってもよいことは勿論のことである。

（金属化フィルムコンデンサの実施の形態）
図１は本発明の金属化フィルムコンデンサの斜視図であり、図２は図１のII−II矢視図であって、金属化フィルムコンデンサの縦断面図である。

図示する金属化フィルムコンデンサ２０は、金属化フィルム４Ａ、４Ｂが積層されて構成された一組の金属化フィルム５が巻装されてなる金属化フィルム柱体６と、金属化フィルム柱体６の両端に形成された金属溶射部７，７と、金属溶射部７に対してはんだ層９を介して取り付けられた棒状や板状のバスバーなどからなる外部引き出し端子８と、から大略構成されている。

一組の金属化フィルム５を構成する２枚の金属化フィルム４Ａ、４Ｂはそれぞれ、誘電体フィルム１の一側面において、中央付近の隙間からなる絶縁マージン領域３Ｂ，３Ｄの両側に、アルミが蒸着されてなる２層の第１の金属蒸着膜２Ａと第２の金属蒸着膜２Ｂ、２層の第１の金属蒸着膜２Ｄと第２の金属蒸着膜２Ｃが形成されたものである。そして、第１の金属蒸着膜２Ａの金属溶射部側と第２の金属蒸着膜２Ｃの金属溶射部側にはそれぞれ、隙間からなる絶縁マージン領域３Ａ，３Ｃを有している。

金属化フィルム４Ａを構成する絶縁マージン領域３Ｂと、他方の金属化フィルム４Ｂを構成する絶縁マージン領域３Ｄは相互にラップしない位置でちどり配置されており、双方の絶縁マージン領域３Ｂ，３Ｄの積層構造によって金属化フィルム柱体６の中央の絶縁部１０Ｃが構成される。

これら２枚の金属化フィルム４Ａ，４Ｂを重ね合わせて一組の金属化フィルム５を形成し、図３で示すようにこの一組の金属化フィルム５を巻装することにより、図１，２で示すように、金属化フィルム柱体６は、中央の絶縁部１０Ｃの両側に第１のコンデンサ１０Ａ，第２のコンデンサ１０Ｂからなる２つのコンデンサが併設した構成を具備したものとなる。

ここで、誘電体フィルム１は、ポリプロピレン（PP）やポリフェニレンサルファイド（PPS）、ポリエチレンナフタレート（PEN）、ポリエチレンテレフタレート（PET）、ポリフッ化ビニリデン（PVDF）などから形成でき、金属蒸着膜２は、アルミニウム以外にも、亜鉛や銅などを誘電体フィルム表面に蒸着することで形成できる。

また、外部電極となる金属溶射部７と接触する第２の金属蒸着膜２Ｂ，第１の金属蒸着膜２Ｄの接触端部領域は、確実な電極接触を保証するために他の部位よりも厚めのいわゆゆるヘビーエッジとしてもよく、たとえば、金属蒸着膜の一般部が30nm程度である場合にヘビーエッジをその倍の60nm程度に調整することができる。

金属溶射部７は、金属化フィルム柱体６の両端の電極取り出し面に対し、アルミニウムや亜鉛などを溶射することによって形成される。

また、外部引き出し端子８は、銅やアルミニウム、ニッケル、ステンレスなどから形成される。

金属化フィルムコンデンサ２０において、第１、第２のコンデンサ１０Ａ，１０Ｂのそれぞれの幅をt1、円柱断面の直径をt2とした際に、500≦t2/t1≦4000を満たすように各寸法が調整されている。

500≦t2/t1≦4000の条件を満たすことにより、100μF以下の静電容量範囲において、発熱量から放熱量を減じたいわゆる熱収支をゼロ未満とすることが可能となる。なお、この発熱量には誘電体フィルムに起因する発熱量も考慮されている。

ところで、500≦t2/t1≦4000を満たす寸法設定としたことにより、フィルムの巻き回し長さが増加し、製造時間が長くなり易い。そこで、この巻装工程における製造時間の長時間化の問題を解消するべく、図示する金属化フィルムコンデンサ２０では、１つの金属化フィルム柱体６（金属化フィルムコンデンサ２０）の中に絶縁部１０Ｃを挟んで２つのコンデンサ（第１のコンデンサ１０Ａ，第２のコンデンサ１０Ｂ）を併設したものであり、この構成により、巻装工程が長くなることを、一度で２つのフィルムコンデンサを製造することによって相殺している。

また、第１のコンデンサ１０Ａ，第２のコンデンサ１０Ｂがそれぞれ固有の金属溶射部７に接触していることで、各コンデンサ１０Ａ、１０Ｂから固有の金属溶射部７への放熱が保証され、このことも放熱性向上に寄与している。

[t2/t1(第１、第２のコンデンサの幅（高さ）をt1、直径をt2)と熱収支に関する解析とその結果]
本発明者等は、t2/t1(第１、第２のコンデンサのそれぞれの幅（高さ）をt1、直径をt2)と静電容量を種々変化させて、フィルムコンデンサの発熱量から放熱量（放射熱量）を差し引いた熱収支を求める解析をおこなった。

まず、解析条件として、誘電体フィルムとしては発熱量の高いPVDFを選定した。その比重は1.78、比熱は1.38J/gK、放射率は0.8、熱伝導率は0.3W/mK、厚みは5×10^-6m、比誘電率は8（真空誘電率は8.85×10^-12）、誘電率は7.08×10^-11、誘電正接tanδは0.03である。

また、金属蒸着膜に関し、アルミニウム製で厚さは25×10^-9m、熱伝導率は240W/mK、蒸着膜抵抗率は20Ωである。

また、フィルム素子要件、作動要件に関し、静電容量は10、20、50、100μFの4種に設定し、電極面積はこの順で0.71、1.41、3.53、7.06(m²)、体積はこの順で3.53、7.06、17.7、35.3(×10^-6m³)、電流値は0.05A/μF、通電時間は1時間、周波数は10kHz、角速度(2πf)は62832、フィルムの抵抗は誘電正接/(角速度×容量)にて算出（フィルムの誘電正接：0.03）し、常温からの車両駆動を想定し、周囲温度は20℃、試料温度は21℃とした。なお、Stefan-Boltzman定数は5.67×10^-8m²K⁴である。

解析結果を以下の表１と図４に示す。

表１において、マイナスの数字は熱収支において放熱量が発熱量を上回っていることを意味しており、したがって、熱収支がゼロ未満のものが良好な結果であることを示している。

表１および図４より、静電容量100μF以下の静電容量範囲において、t2/t1(第１、第２のコンデンサのそれぞれの幅（高さ）をt1、直径をt2)は500〜4000の範囲で良好な結果となることが実証されている。なお、コンデンサの体格等を考慮した場合でも、t2/t1が4000以下が好ましい。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

１…誘電体フィルム、２Ａ，２Ｄ…第１の金属蒸着膜（アルミ蒸着膜）、２Ｂ，２Ｃ…第２の金属蒸着膜（アルミ蒸着膜）、３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ…絶縁マージン領域（隙間）、４Ａ，４Ｂ…金属化フィルム、５…一組の金属化フィルム、６…金属化フィルム柱体、７…金属溶射部（メタリコン電極）、８…外部引き出し端子（バスバー）、９…はんだ層、１０Ａ…第１のコンデンサ、１０Ｂ…第２のコンデンサ、１０Ｃ…絶縁部、２０…金属化フィルムコンデンサ

Claims

金属化フィルムを巻き回してなる金属化フィルム柱体の２つの円形の電極取り出し面に金属溶射部が形成され、該金属溶射部に外部引き出し端子が接合されてなる金属化フィルムコンデンサであって、
前記金属化フィルムは、誘電体フィルムと、誘電体フィルムの一側面において誘電体フィルムの長手方向に延びる隙間を置いて併設された第１、第２の金属蒸着膜とから構成されており、
金属化フィルム柱体は、前記隙間からなる絶縁部を挟んで２つの金属溶射部側にそれぞれ第１の金属蒸着膜に対応する第１のコンデンサと第２の金属蒸着膜に対応する第２のコンデンサを具備しており、
金属化フィルム柱体において、一方の金属溶射部から他方の金属溶射部へ向かう方向を幅方向、これに直交する方向を径方向とし、第１、第２のコンデンサの幅方向の幅をt1、径方向の電極取り出し面の直径をt2とした場合に500≦t2/t1≦4000を満たしている金属化フィルムコンデンサ。
静電容量が100μF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。