JP6434179B1 - 金属化フィルムおよびこれを用いたフィルムコンデンサ - Google Patents

Abstract

【課題】耐熱性・耐圧性・耐湿性に優れる直流回路用のフィルムコンデンサおよびそれに使用する金属化フィルムの提供。
【解決手段】金属化フィルム１０は、Ａｌを５０Å〜１００Åの厚みにてＯＰＰフィルム１１に略一面に蒸着し、その上に、Ｚｎを４０Å〜６０Åの厚みにて略一面に蒸着しつつ、帯長手方向片端を、２００Å〜４００Åの厚みのヘビーエッジ１４として形成し、他端は、所定幅のマージン部１５としてフィルムのままとする。そして、平面視においてフィルムが暴露した幅０．１mm〜０．２mmのパターン１６において、パターン同士の最小間隔が０．２mm〜０．４mmであるヒューズ部１７として非蒸着パターンを形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、耐熱性に優れる直流回路用のフィルムコンデンサ技術に関する。

従来、ＯＰＰ（２軸延伸ポリプロピレン）フィルムに亜鉛膜を蒸着した金属化フィルムを二枚重ねて巻き上げたフィルムコンデンサが知られている。
詳細には、亜鉛はフィルムに直に蒸着できないため、亜鉛蒸着の核とすべくまずアルミを極薄に蒸着し（金属膜厚のせいぜい５％程度）、その上に亜鉛層を３００Å厚程度に形成する。このタイプのコンデンサは主として、商用電源すなわち２００Ｖ（まで）の交流回路によく用いられる。

また、同じくフィルムコンデンサであって、ＯＰＰフィルムに８０Å程度の厚みのアルミを全面に蒸着しつつ細線様の所定パターンの非蒸着部を残存させ、亜鉛はヘビーエッジとしてフィルム片端のみに形成したものも広く製造されている。これは、パターンによって囲まれる島部分が仮にショート（絶縁破壊）しても、隣の島に連通するパターン間の狭小のアルミ層が破断する程度にアルミ層を薄くできることを利用した、いわゆるセルフヒーリング性（自己保安性）のあるコンデンサである。
詳細には、前述のコンデンサでは抵抗を小さくするために亜鉛層を３００Å程度に厚くする必要があるものの、この程度に厚いとパターンを形成しても破断が生じない一方、アルミであれば電気抵抗率が小さいことを利用してアルミ層を薄くして破断を生じさせ、ショートした島が切り離されることで容量低下の漸減化が可能となり、翻って、当該コンデンサを耐圧性に優れ製品寿命の長いものとするものである。

しかしながら、近年パワーエレクトロニクス、たとえばＨＥＶ用といった大容量であって、かつ、従来より耐熱性・耐圧性（耐電圧性）が求められる直流用のフィルムコンデンサの需要が高まりつつある。
具体的には、従来は耐熱性指標は重要視されずせいぜい９０℃程度の環境下における評価試験にとどまっていたものの、１２０℃以上で直流の高電圧印加下における耐熱評価試験にて所定範囲内の容量劣化にとどまることが要求されることがある。
また、フィルムコンデンサには耐熱性のみならず用途に応じて耐湿性その他の多様なスペックが要求されるのが常である。

特開２００９−２７７８２９号公報

特開２０１３−１３８０４６号公報

特開２０１２−９２３９２号公報

本発明は上記に鑑みてなされたものであって、耐熱性・耐圧性・耐湿性に優れる、直流回路用のフィルムコンデンサに使用する金属化フィルムおよび当該フィルムを用いたフィルムコンデンサを提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、一方向に長い帯状の高分子フィルム上に金属膜層を形成した、定格電圧が４００Ｖ以上７５０Ｖ以下の直流回路用のフィルムコンデンサに使用するフィルム構造であって、Ａｌを５０Å〜１００Åの厚みにて高分子フィルムに略一面に蒸着し、その上に、Ｚｎを４０Å〜６０Åの厚みにて略一面に蒸着しつつ帯長手方向片端を２００Å〜４００Åの厚みのヘビーエッジとして形成し、他端は所定幅の非蒸着部としてフィルムのままとし、平面視においてフィルムが暴露した幅０．１mm〜０．２mmのパターンであって、パターン同士の最小間隔が０．２mm〜０．４mmであるヒューズ部として非蒸着パターンが形成されていることを特徴とする金属化フィルムである。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の構造を有する金属化フィルムを用いて形成したコンデンサであって、１２５℃の雰囲気下にて直流の定格電圧を１０００時間印加した場合の容量減少が５％未満であることを特徴とするフィルムコンデンサである。

請求項３に記載の発明は、高分子フィルムがＰＰＳ、ＰＶＤＦ、または、ＰＰであることを特徴とする請求項２に記載のフィルムコンデンサである。

コンデンサは、積層型でも捲回型でもよく、特に限定されない。なお、高分子フィルムの厚み、素材、幅、積層数、捲回数、メタリコンその他の封入条件に依存するが、請求項２は「１２５℃の雰囲気下にて直流の定格電圧を１０００時間印加した場合の容量減少が５％未満」、である、または、となる、コンデンサを請求するものである。
なお、Ａｌ厚が５０Å〜１００Åであると、抵抗値としてはおおよそ１０Ω□〜２０Ω□であり、ヘビーエッジとしてのＺｎの厚みが２００Å〜４００Åであると、抵抗値としてはおおよそ２Ω□〜６Ω□である。
また、パターンの幅の０．１ｍｍ〜０．２ｍｍは、特にパターン同士の最小間隔となっている部分の幅を示す。
直流とは、０Ｖをまたぎプラスマイナスとなる交流は含まないが、一定値だけをとるものに限定されず広義であって、０＜Ｖｍｉｎ≦Ｖ≦Ｖｍａｘとして所定レンジで増減ないし脈動する場合も直流に含まれるとする。なお、本願においては、特に明示されていなくとも、回路や評価や用途は直流または直流用であるものとする。

本発明によれば、耐熱性・耐圧性・耐湿性に優れる、直流回路用のフィルムコンデンサに使用する金属化フィルムおよび当該フィルムを用いた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の断面および平面をそれぞれ表した模式図である。 本発明の金属化フィルムを用いたフィルムコンデンサの断面構造の例を示した説明図である。 Ｚｎ層の厚みを変えた場合についての、容量減少の経時変化をプロットしたグラフである。

本発明は、従来知見のなかった、使用環境が高温であり高圧直流回路用途のフィルムコンデンサについて試行錯誤してなされたものである。より具体的には、使用環境が１２０℃を超え、定格電圧が直流で４００Ｖ〜７５０Ｖであると、従来構成では容量急減の不具合があり、これを鋭意検討して改善してなした発明である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。まず、本発明の構成について説明し、その後評価試験について説明する。
＜発明の構成＞
図１は、本発明の金属化フィルムの断面模式図（ａ）および平面模式図（ｂ）である（図１ａは図１ｂのＡ−Ａ断面である）。なお、図において、比率や縮尺は説明の便宜上適宜変更して描画している。

金属化フィルム１０は、幅５０ｍｍ、厚み２．５μmの帯状のＯＰＰフィルム１１上に、Ａｌを７０Åの厚みに略一面に蒸着し、その上に、更に、Ｚｎを５０Åの厚みにて略一面に蒸着したものを基本構成としている（これらをＡｌ層１２，Ｚｎ層１３と称することとする）。

但し、帯の長手方向の片端は、Ａｌ層１２の上に幅３ｍｍ、厚み３００ÅのＺｎをヘビーエッジ１４として形成し、他の片端は幅２．０ｍｍのマージン部１５としてＯＰＰフィルム１１のままとした（すなわち、Ａｌ層１２もＺｎ層１３も形成しない領域とした）。

また、図示したように、マージン部１５と同様にＯＰＰフィルム１１のまま（蒸着層なし）の幅０．１５ｍｍの十字が連なった形状のパターン１６を形成した。なお、パターン１６同士の最小間隔を０．２ｍｍとした。この間隔部分はヒューズ回路としての役割を担い、以降ヒューズ部１７と適宜称する。

この金属化フィルム１０は、真空蒸着装置により製造できる。
すなわち、その図示は省略するが、真空槽の中に、ＯＰＰフィルム１１が捲回された送出ローラと、金属化フィルム１０すなわち蒸着後のフィルムを巻き取る巻取ローラと、両ローラの間に配した、フィルムを当接させる所定径の回転円筒体であるクーリングローラ（キャンローラ）と、その周囲に配置したアルミ蒸発槽と亜鉛蒸発槽とマスキング槽と、を基本構成とした真空蒸着装置により製造できる。
真空蒸着装置は、真空度、巻取スピード、回転スピード、各槽の加熱温度、各槽のスリット形状、マスキングオイル等を調整することにより、所望の金属化フィルムを得ることができる。

図２は、本発明のフィルム構造を有するフィルムを用いたフィルムコンデンサ製品の断面構造の例を示した説明図である。なお、図は幅方向に切断した断面を示したものであり、金属化フィルムは密着しているが説明の便宜上離間して描画している。
フィルムコンデンサ２０は、金属化フィルム１０を互い違いに約３４ｍｍとなるまで重ねて、端部にメタリコン金属（ここではＺｎ）を溶射してメタリコン電極２１を形成している。
なお、金属化フィルム１０は幅方向に１ｍｍずらして重ねてあり、絶縁性を確保している（このずらした部分をずらし部２２と適宜称することとする。

この例では、フィルムコンデンサ２０は、幅５３ｍｍ（含メタリコン厚み１ｍｍ×２）、奥行き（帯長さ方向）１５．５ｍｍ、高さ３４ｍｍとしてあり、容量は８０μＦである。

＜予備試験＞
まず、従来のフィルムコンデンサについて、耐熱評価をおこなった。ここで、ＯＰＰ＋Ｚｎ層３００Åの金属化フィルムは、パターン１６を形成したとしても前述のようにそもそもセルフヒーリング性に劣るので検討対象外とした。
ＯＰＰ＋Ａｌ層８０Å（パターンあり）の金属化フィルムによるコンデンサを、１２５℃環境下で９００Ｖ直流電圧を印加したところ、５００時間程度まででコンデンサ容量が消失してしまった。これは、従来の環境下では起こらなかった、電極酸化すなわち絶縁体である酸化アルミの形成による電極消失（電極面積の実質的な減少・消失）が生じたためであった。そこで本願発明者らは抵抗率の低いＡｌを用いつつハイブリッド電極を案出し、これにＺｎを用いることとした。
なお、本発明の金属化フィルムまたはフィルムコンデンサは、定格電圧が直流４００Ｖ〜７５０Ｖの環境下における使用を想定しているので、評価試験は安全率を見越して通常おこなわれる１．２倍の印加、すなわち、７５０Ｖ×１．２＝９００Ｖとした。

＜評価試験：耐熱性（容量変化）＞
まず、上述した本発明のフィルムコンデンサ２０に対して耐熱試験をおこなった。具体的には、雰囲気温度を１２５℃とし１０００時間までの容量変化を測定した。ここで、他の厚みや大きさは同一にしてＺｎ層１３の厚みを１０Åから２０Å、３０Å、・・・と１０Åずつ厚くしていき評価した（ｎ＝６）。印加電圧は９００Ｖ（直流）とした。

結果を図３に示す。
Ｚｎ層の厚みが１０Åでは、予備試験と同様総ての試験片について５００時間以内に容量が消失してしまった。これは、Ｚｎ層が薄くＡｌの酸化が生じ、電極部分全体の発熱も相まって電極の実質面積が加速度的に減少していったためである。
一方、Ｚｎ層が２０Åの場合は、電極消失が生じたり容量減少が５％を超えたりするものがあった。
Ｚｎ層の厚みが３０Å以上であれば、いずれの試験片も容量減少が５％未満であった。

＜評価試験：セルフヒーリング性（漏れ電流）＞
次に、セルフヒーリング性を検討した。耐熱性試験と同様に、他の厚みや大きさは同一にしてＺｎ層の厚みを９０Åから８０Å、７０Å、・・・と１０Åずつ薄くしていき評価した（ｎ＝５）。

パターン同士の先端間隔すなわちヒューズ部１７を狭めればＺｎ層１３が厚くなってもセルフヒーリング性は補償される可能性もある。しかしながら、定格電圧が７５０Ｖといった高圧仕様の場合、ヒューズ部１７の間隔が狭すぎると実際の使用における充放電の際（電圧の上昇下降の際）切断してしまうことがあり、実用上０．２ｍｍ以上とせざるを得ない。したがって、試験においては、ヒューズ部１７すなわちパターン同士の先端間隔は上記のとおり０．２ｍｍとして評価した。
実際には、半ショートすなわち絶縁抵抗の低下（漏れ電流の増加）の有無によりセルフヒーリング性を評価した。具体的には、コンデンサ２０を直流２５０Ｖで２分間充電し、その１分後の抵抗値が、数ＫΩ〜数ＭΩに低下したものを半ショートとした（当初抵抗は２００ＭΩ〜３００ＭΩ）。

その結果、Ｚｎ層の厚みが８０Å以上であると、セルフヒーリング性に劣り、全数に半ショートがみられた。厚みが７０Åのものは、半ショートが生じるものと生じないものとが混在した。
一方、Ｚｎ層の厚みが６０Å以下であると十全なセルフヒーリング性が発揮され、容量変化の漸減化が実現された。

以上の、耐熱性・セルフヒーリング性の検討結果から、表１に示した様に、Ｚｎ層の厚みは３０Å以上６０Å以下が好適であることが確認できた。

＜耐湿性について＞
なお、Ｚｎは一般的に耐湿性に劣る。
本発明をＨＥＶに搭載する場合など、多湿環境では、コンタクト部分等から進入する可能性のある湿気により絶縁体Ｚｎ（ＯＨ）_２が形成され電極が劣化してしまう。仮に上記絶縁体を形成する可能性のある環境下でも電極の低抵抗を確保すべく、Ａｌ層の厚みは５０Å（≒２０Ω□）以上とする必要がある。また、Ｚｎ層が下限３０Åであっても全体の厚みが厚くなりすぎるとセルフヒーリング性に影響が出るため、Ａｌ層は１００Å（≒１０Ω□）以下とする必要がある。以上から、本発明の金属化フィルムのＡｌ層は５０Å〜１００Åとしている。

なお、コンタクトの形成のしやすさ損失ｔａｎδの観点から、また、Ａｌ層やＺｎ層との親和性も考慮し、ヘビーエッジは厚みを２００Å〜４００ÅとしたＺｎが好適である。

フィルムコンデンサの小型化（大容量化）には、ＯＰＰのような高分子フィルムの厚みを薄くすることで実現できる。直流定格電圧が４００Ｖ〜７５０Ｖの場合は、フィルム厚は２μｍ〜３μｍとするのが好適である。

以上本発明の金属化フィルムやこれを用いたフィルムコンデンサは、いわゆるアクティブ層をＡｌ蒸着層とＺｎ蒸着層のハイブリッド層とすることにより、耐熱性は、Ａｌ酸化防止として４０Å以上のＺｎ層が奏功し、セルフヒーリング性は、１００Å以下のＡｌ層および６０Å以下のＺｎ層が奏功し、耐湿性はＺｎ層が劣化しても５０Å以上のＡｌ層が補償する。
これにより、少なくとも直流であって４００Ｖ〜７５０Ｖの所定の定格電圧であれば、１２５℃×１０００ｈの環境下であっても容量劣化が５％未満に収まり、パワーコンデンサとして実用上の仕様に耐えることができる。
なお、従来のＯＰＰ＋Ｚｎ層３００Åのフィルムコンデンサは、耐熱性が要求されず、実際には中間にＡｌが存在するものの、その介在理由はＺｎ蒸着を目的とし、本発明の金属化フィルムとはその技術思想を異とするものである。

なお、以上は一例であり、本発明のフィルム構造は他の態様を採用しても良い。たとえば、フィルムは、耐熱性樹脂、ＰＰ（ポリプロピレン）のほか、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、を用いることもできる。
また、フィルム厚やフィルム幅、ヒューズ回路のパターン（マスキングのパターン）やパターン間隔も適宜要求物性等に合わせて変更してもよい。
同様に、ヘビーエッジの幅やマージン部の幅やずらし部の幅、メタリコン金属種類も適宜変更可能である。

本発明の金属化フィルムまたフィルムコンデンサはＨＥＶなど車載用途に好適である。

１０ 金属化フィルム
１１ ＯＰＰフィルム
１２ Ａｌ層
１３ Ｚｎ層
１４ ヘビーエッジ
１５ マージン部
１６ パターン
１７ ヒューズ部
２０ フィルムコンデンサ
２１ メタリコン電極
２２ ずらし部

Claims (3)

1. 一方向に長い帯状の高分子フィルム上に金属膜層を形成した、定格電圧が４００Ｖ以上７５０Ｖ以下の直流回路用のフィルムコンデンサに使用するフィルム構造であって、
   Ａｌを５０Å〜１００Åの厚みにて高分子フィルムに略一面に蒸着し、
   その上に、Ｚｎを４０Å〜６０Åの厚みにて略一面に蒸着しつつ帯長手方向片端を２００Å〜４００Åの厚みのヘビーエッジとして形成し、
   他端は所定幅の非蒸着部としてフィルムのままとし、
   平面視においてフィルムが暴露した幅０．１mm〜０．２mmのパターンであって、パターン同士の最小間隔が０．２mm〜０．４mmであるヒューズ部として非蒸着パターンが形成されていることを特徴とする金属化フィルム。
2. 請求項１に記載の構造を有する金属化フィルムを用いて形成したコンデンサであって、１２５℃の雰囲気下にて直流の定格電圧を１０００時間印加した場合の容量減少が５％未満であることを特徴とするフィルムコンデンサ。
3. 高分子フィルムがＰＰＳ、ＰＶＤＦ、または、ＰＰであることを特徴とする請求項２に記載のフィルムコンデンサ。

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