JPH01201907A - 電流サージ保護をそなえたキャパシタアセンブリ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は金属化誘電体キャパシタ、更に詳しくは、この
ようなキャパシタ内の比較的薄い電気接続部を大きな電
流サージによる損傷より保護する手段に関するものであ
る。

金属化誘電体キャパシタは、その薄い金属層のために比
較的小さな容積で大きなキャパシタンスを得ることがで
きるた必広く用いられている。けれども、このようなキ
ャパシタは、キャパシタを回路に接続するためにリード
ワイヤその他の手段に電気的に接続された金属層を蒸発
しやすい大きな電流サージによって簡単に損傷される。

このような破壊的な電流サージが生じる代表的な回路は
モータ起動回路およびランプバラスト回路で、これ等の
回路では、キャパシタが、起動時に短時間の電流スパイ
クを生じる誘電性負荷に配線される。保護サージ抑止装
置をキャパシタと直列に配線することはできるが、この
ことは、金属化誘電体キャパシタの小さいという利点を
そこない、回路製造時の複雑さとコストを増す。

米国特許第４６３５１６３号には、密封ケーシング内に
配設されたキャパシタの中空コア内に熱的なサーキット
ブレーカ装置を内蔵することが提案されている。この装
置は、コア内に容易に応答する可溶性の金属ストリップ
である。この装置は、ストリップの一部を溶かすのに十
分な時間と大きさの短絡よりキャパシタを保護するが、
数ミリ秒しか続かないスパイクのような短時間の電流サ
ージより保護することはできない。更に、この可溶性の
装置は、その保護機能を果たすと破壊され、したがって
取換えが必要である。

本発明の目的は、非破壊的に電流サージより保護する自
己保護金属化誘電体キャパシタアセンブリを供すること
にある。本発明によれば、前記のおよびその他の目的は
次のようにすることにより達成される、すなわち、キャ
パシタアセンブリ内に、短時間電流サージを減衰する低
域濾波器として働くのに十分なインダクタンスを有する
インダクタを内蔵する。このような電流サージは主とし
て高周波成分より成る。

キャパシタの挿入後に容器に残っている自由スペース内
にインダクタンスを適合させることは困難である。とい
うのは、電流サージを有効に抑止するのに必要なインダ
クタの大きさ（したがって寸法）はキャパシタの大きさ
（したがって寸法）に伴って増大するからである。けれ
どもこの寸法の制限は、キャパシタで占められていない
スペース内にインダクタの強磁性コアを配設し、インダ
クタの導電性コイル部分を該部分がアセンブリ内のどこ
でも具合よく適合し且つ少なくとも部分的に強磁性コア
を取囲むところに位置させることにより克服される。例
えば、コイルは強磁性コアの周囲、キャパシタの周囲ま
たは容器自身の外周にさえも直接に巻回することができ
る。

強磁性コアは、容器内の空いているスペースおよび必要
なインダクタ、ンスの両方に適合された種々の形で設け
ることができる。一実施態様では、強磁性コアは強磁性
体粒子を含有する充填材料を有する。この形は、キャパ
シタが、容器を満たす注封材料によって容器内に支持さ
れる場合のキヤ６一 パシタアセンブリに特に有利である。強磁性充填材料は
、さもなければ同じ位置を充填するであろう注封材料の
位置にこの充填材料を用いるだけで充填スペースの所望
の場所のどこにでも配することができる。代りに、充填
材料をキャパシタの中空コア内のようなアセンブリの空
きスペース内に配することもできる。強磁性充填材料の
使用は有効なスペースの利用を可能にするだけでなく、
サージ抑止インダクタのインダクタンスの調節も容易に
する。この調節は、コイルに対する充填材料の位置およ
び該充填材料中の強磁性体粒子の密度の両方を制御する
ことにより行われる。

別の実施態様では、強磁性コアは、強磁性材料の固体の
棒の形で与えられる。この形は、充填材料で得られるよ
りも大きな透磁率を有するコアが必要なインダクタをつ
くるのに特に有利である。

更に、固体の棒を使用することによって、キャパシタ自
体を容器に挿入した後に小さな自由スペースを有するキ
ャパシタアセンブリに使用する小さなインダクタをつく
ることもできる。

更に別の実施態様では、電磁的に作動されるスイッチが
、インダクタと共働して、大きすぎてインダクタで吸収
できないエネルギレベルを有する電流サージに対し保護
するようにキャパシタアセンブリに内蔵される。このス
イッチは常閉スイッチで、インダクタコイル（およびキ
ャパシタ）と直列に接続される。このスイッチは、所定
の大きさの電流サージに応答して該スイッチを開くため
に、インダクタと磁気的に結合された強磁性アクチュエ
ータを有する。好ましい形態では、アクチュエータは、
それ自身スイッチの第１接点を形成する強磁性導電性部
材である。この第１接点はインダクタ近くに置かれ、ス
イッチの第２接点に対して弾性的に押付けられる。イン
ダクタが、キャパシタの金属層接続部部分が耐えること
のできるよりも大きなエネルギを有する電流サージを受
けるといつも、インダクタの磁界は飽和し、第１接点に
、該第１接点を第２接点より引き離してキャパシタを流
れる電流をしゃ断するのに十分な磁力を及ぼす。

以下に本発明を添付の図面を参照して実施例により更に
詳しく説明する。

第１図は、通常の金属化誘電体キャパシタ１０を有する
が本発明の電流サージ抑止インダクタを内蔵したキャパ
シタアセンブリを示す。キャパシタ１０は、金属化され
たマイラまたはポリプロピレンのようなプラスチックの
２枚のシートより成り、これ等シートは、中空の中心コ
アを形成する内壁１１を有するロールの形に巻回される
。代りにこのキャパシタは金属化された紙のような異な
るタイプの誘電体より成るものでもよい。各シート上の
金属層はキャパシタの極板の１つとして役立つ。

これ等の極板の夫々を形成する金属化誘電体は、キャパ
シタの各端においてその縁で金属スプレー（ｓｃｈｏｏ
ｐ）され、２つの電極１２．１３の一方を形成する。キ
ャパシタは、容器１４内に該容器を部分的に満たす注封
材料１６により所定の場所に固定され、容器は蓋１８に
よって閉じられる。容器と蓋は導電性または絶縁性材料
よりつくることができるが、代表的な材料は、フェノー
ル類または難燃性の熱可塑性樹脂である。注封材料は主
としてキャパシタを所定位置に保持する働きをし、ポリ
ウレタン、エポキシまたはポリエステルのような材料よ
り成る。

前述した形状においては、サージ抑止インダクタコイル
２０は都合良くキャパシタの中空の中心コア内に配設さ
れる。強磁性充填材料２２は、コイルに対する支持体と
してまたインダクタの強磁性コアとして両方に役立つ。

この充填材料は濃縮した強磁性粒子を有するエポキシ、
ポリウレタンまたはポリエステル樹脂より成る。好まし
い充填材料は、重量で２０％から６０％のフェライト粉
末を有するエポキシである。コイルを形成する導体の一
端は蓋１８の第１の穴を貫通して延在し、そこでキャパ
シタアセンブリの第１リード２６として役立つ。

この導体の反対の端は電極１３と電気的に接続され、イ
ンダクタとキャパシタとを直列にする。キャパシタの電
極１２は、蓋の第２の穴を貫通して延在する他方のり−
ド２４に接続され、そこでキャパシタアセンブリの第２
リードとして役立つ。

＝１０− インダクタのインダクタンスは、コイルの形と該コイル
で発生された磁束線が貫通する材料の透磁率によって決
まる。第１図に示したような線形コイルインダクタに対
しては、インダクタンスは、コイルの中の材料の透磁率
、コイルのターン数およびコイルの半径に伴って増加す
る。逆に、インダクタンスはコイルの軸方向の長さｄと
共に減少する。公知のように線形コイルインダクタのイ
ンダクタンスに対する一般式は次の通りである。

Ｌ＝　ｋμＮ２Ｒ２／ｄ ここで Ｌはヘンリーで表されたインダクタンス。

Ｎはコイルのターン数。

Ｒはメートルで表されたコイルの半径。

ｄはメートルで表されたコイルの軸方向長さ。

μはメートル当りのヘンリーで表された透磁率。

および ｋは１より大きくないディメンションのない数である。

前述のパラメータのすべてが、特定のキャパシタアセン
ブリ内に適合し且つ所定の公称インダクタンスを有する
インダクタの設計に当って考慮される。製造時、所望の
許容誤差へのインダクタンスの正確な調節は、キャパシ
タの中空コア内の強磁性充填材料２２のレベルを制御す
ることによって行われる。インダクタンスは、コイルの
長さｄによって定義される高さの範囲内でレベルが変え
られるにつれて可なり変化する。充填材料は液状で中空
コア内に注入されるが、急速に固相に変わる。

第２図は、２つの点を除いては第１図とすべて同じ形態
を有するキャパシタアセンブリを示す。

強磁性充填材２２は容器内の空所のすべてを満たし、コ
イル２０は中空の中心コア内に配設されるのではなく寧
ろキャパシタの周囲に巻回される。この実施態様は、動
作時に内部に発生される放散熱に対してより大きな熱的
質量対容積比を有するので、第Ｘ図の実施態様よりも大
きなＡＣ電圧において有用である。熱放散の増加は、余
分な注封材料とコイルの余分なワイヤによって与えられ
る。

第３図は、インダクタ以外は第１図と同なしキヤパシタ
アセンブリを示す。この場合、インダクタは、キャパシ
タの中空の中心コア内に配設されたフェライト棒２８の
周囲に直接巻回されたコイル２０によって形成される。

前記のフェライト棒は、中空の中心コア内に圧力ばめさ
れた２つのプラスチックの支持体３０．３２　によって
キャパシタ内に固定される。これ等の支持体は、フェラ
イト棒の両端を受ける夫々のくぼみと、コイルワイヤの
両端がリード２６と電極１３で終端するために通り抜け
る軸方向に延在する穴（破線で示す）とを有する。

この実施態様の利点は、高いインダクタンス対容積比と
、内部に発生したガスの膨張に対する空きスペースであ
る。

第１，２および３図の実施態様は１２５マイクロフアラ
ンドキヤパシタの形でつくられ、２４０Ｖ八Ｃ（実効値
）の動作電圧で試験された。これ等の試験は、各キャパ
シタに大電流サージパルスを反復して通し、キャパシタ
の等個直列抵抗（ＥＳＲ）を測定することにより行われ
た。これ等の試験とその結果を次の表に示す。

一１２〜 １つ以上の特定のタイプのキャパシタが試験された場合
の上の表のＥＳＲデータは平均値である。

表中゛失敗パというのは、特定数のテストの後、各キャ
パシタのＩＥｓＲが該キャパシタが働かない程の大きな
値に達したことを示す。表を見れば、所定数のパルスに
対するこのような失敗に対する保護は、キャパシタアセ
ンブリに内蔵されたインダクタンスと共に増加すること
がわかるであろう。

所定の程度の保護に必要なインダクタンスもまたキャパ
シタンスと共に増加することに留意すべきである。

第５図は、保護されていない（直列インダクタのない）
１２．５マイクロフアラツドキヤパシタの試験データを
前の表に示した第３図の実施態様の試験データと比較し
たグラフである。更に詳しく云えば、このグラフは、破
滅キャパシタの夫々に５マイクロ秒、３００　アンペア
（ピーク・ピーク値）パルスを反復して通したことによ
るεＳＲの増加を示す。パルスＰは１０秒間隔でキャパ
シタに通された。ＢＳＲＯ略々４２オームレベルにおけ
る水平の破線は、ＢＳＲ熱暴走（ｔｈｅｒｍａｌ　ｒｕ
ｎａｗａｙ）の限界を示す。この限界以上では、熱は、
キャパシタより放散されるよりも早い割合で破滅キャパ
シタの内部抵抗に発生する。熱暴走の間、金属スプレィ
された縁１２．１３における電気接続部の温度は急速に
増加して該接続部が破壊されるに至る。

第４ａ図は第３図の実施態様の変形を示すもので、電磁
作動スイッチがキャパシタアセンブリ内にインダクタと
直列に組込まれている。詳細を第４ｂ図に示したこのス
イッチは、一対の常閉接点３６．３８と導電性スプリン
グワイヤ４０を有する。Ｌ形のこのスプリングワイヤの
一端は、フェライト棒２８の一端を支持する環状プラス
チック支持体４２を縦方向に延在する穴４１内で固定さ
れる。この端は、はんだ付け、溶接または圧着によって
コイル２０の隣接端と接続される。スプリングワイヤ４
０の他方の端は、該ワイヤを接点の表面にはんだ付けま
たは溶接することにより接点３８に接続される。接点３
６は、環状プラスチンク支持体４４の中心孔に圧力ばめ
される。接点３６はリード２６と接続され、スイッチの
り一ド２４と２６、インダクタおよびキャパシタの間に
直列接続を形成する。

接点３８は、導電性だけでなく更に強磁性である材料よ
りつくられる。適当な材料は錫で被覆した鉄、ニッケル
またはフェライトを含む。この接点は、スプリングワイ
ヤ４０と組合わされて、キャパシタの薄い電極における
電気接続部を損傷するに十分な大きさと持続時間の電流
サージに応答してスイッチを開く強磁性アクチュエータ
を形成する。

第４ｂ図に示した常閉位置では、接点３８はスプリング
ワイヤ４０により接点３６に押付けられる。接点３８は
フェライト棒２８の一端の近くに配設されているので、
電流がコイルを通って流れている時は常に前記のフェラ
イト棒から出た磁界線によってインダクタと磁気的に結
合されている。この磁気的な結合の強さは、キャパシタ
電極接続部を損傷するに足るエネルギを有する電流だけ
がスプリングワイヤ４０の力にうちかつだけの起磁力を
生じて接点３８を接点３６より引離すように設定される
。これは、スプリング張力および／またはインダクタコ
イルのターン数の調節によって得られる。キャパシタ電
極接続部が堪えることのできるより大きなエネルギを有
する電流サージの場合は常にインダクタが電磁石として
働き、第４Ｃ図に示すように瞬間的にスイッチを開き、
これにより電流をしゃ断する。このしゃ断の期間は、固
定接点よりの可動接点の移動距離の調節、可動接点の質
量の調節、またはスプリング張力の調節によって調節す
ることができる。

＝１７− 第４ａ図に示したタイプで４０マイクロヘンリのインダ
クタを内蔵する１２．５マイクロフアラツドのキャパシ
タアセンブリがつくられ、２４０ＶＡＣ（実効値）の作
動電圧で試験された。夫々１０００アンペアと５マイク
ロ秒の最大持続時間を有する幾つかのパルスがキャパシ
タに通された。観察によれば、キャパシタの金属層電気
接続部に何等かの測定し得る損傷が生じる前にスイッチ
が動作し、電流をしゃ断した。

以上本発明の特定の実施態様について説明したが、種々
の変形が可能である。例えば、強磁性充填材料を有する
実施態様において、インダクタンスを強磁性体粒子の密
度を変えることにより調節することができる。別の例と
しては、インダクタコイルを容器の内部に位置させない
で容器の外部に巻回することもできる。代りに、コイル
を、容器の比較的小さなスペースに適応するように平ら
にすることもできる。例えば、このコイルをらせんまた
は一連の並んだループの形とすることができる。

−１８＝

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のキャパシタの第１実施態様の断面図、 第２図は第２実施態様の断面図、 第３図は第３実施態様の断面図、 第４ａ図は第４実施態様の断面図、 第４ｂ図は第４実施態様の一素子の拡大断面図、第４Ｃ
図は第４ｂ図の素子動作時の同様断面図、第５図は複数
のキャパシタの試験結果を示すグラフである。 １０・・金属化誘電体キャパシタ １１・・内壁　　　　　　　１２．１３・・・電極１４
・容器　　　　　　　１６・・・注封材料２０・・イン
ダクタコイル　２２・・強磁性充填材料２４・・第２リ
ード　　　　２６・・第１リード２８・・フェライト棒

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. １．閉じられた容器と、この容器内に封入された、第１
   および第２金属化絶縁層を有する金属化誘電体キャパシ
   タと、前記の第１金属化絶縁層と電気的に接続された第
   １の外部より近づくことのできる接続手段と、前記容器
   内の、キャパシタで占められていないスペースに配設さ
   れた強磁性コアと、この強磁性コアと磁気的に結合され
   てインダクタを形成するようにアセンブリ内に位置され
   、その第１端部が第２金属化絶縁層と電気的に接続され
   た導電性コイルと、このコイルの第２端部に電気的に接
   続された第２の外部より近づくことができる接続手段と
   を有することを特徴とする電流サージ保護をそなえた金
   属化誘電体キャパシタアセンブリ。
2. ２．強磁性コアは強磁性体粒子を含有する充填材料より
   成る請求項１記載のキャパシタアセンブリ。
3. ３．コイルは少なくとも部分的に充填材料内に配設され
   た請求項２記載のキャパシタアセンブリ。
4. ４．キャパシタは中空コアを有し、強磁性コアがこの中
   空コア中に少なくとも部分的に配設された請求項２記載
   のキャパシタアセンブリ。
5. ５．コイルは中空コア内に配設された請求項４記載のキ
   ャパシタアセンブリ。
6. ６．コイルはキャパシタの周囲に巻回された請求項４記
   載のキャパシタアセンブリ。
7. ７．コイルは容器の周囲に巻回された請求項２または４
   記載のキャパシタアセンブリ。
8. ８．強磁性コアは強磁性体の固体状の棒より成る請求項
   １記載のキャパシタアセンブリ。
9. ９．キャパシタは中空コアを有し、棒は少なくとも部分
   的にこの中空コア内に配設された請求項８記載のキャパ
   シタアセンブリ。
10. １０．コイルは棒の周囲に巻回された請求項９記載のキ
    ャパシタアセンブリ。
11. １１．コイルと直列に接続された、電気的に作動される
    常閉スイッチを有し、このスイッチは、所定の大きさの
    電流サージに応答して該スイッチを開くために、インダ
    クタと磁気的に結合された強磁性アクチュエータを有す
    る請求項１，２または８記載のキャパシタアセンブリ。
12. １２．スイッチは、第１および第２常閉接点とこれ等接
    点を弾性的に互に押付ける手段とを有し、アクチュエー
    タは、前記の第１接点を形成する強磁性導電性部材を有
    し、この第１接点は、所定の大きさの電流サージに応答
    して前記の第２接点から電磁的に離れることができる請
    求項１１記載のキャパシタアセンブリ。
13. １３．キャパシタは中空コアを有し、スイッチは少なく
    とも部分的にこの中空コア内に配設された請求項１２記
    載のキャパシタアセンブリ。