JPH0758658B2 - 自己保安機能付コンデンサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明はおもに保安装置を必要とする電気機器に用いら
れる自己保安機能付コンデンサに関するものである。

従来の技術 従来の保安装置を内蔵するコンデンサは、コンデンサ素
子を金属ケース内に収納し、ワックスあるいは絶縁油を
含浸して密封し、コンデンサ破壊時のケース内部の圧力
上昇によるケースの変形を利用し、コンデンサのリード
片を電気的に切断してコンデンサの破裂、発火等を防ぐ
タイプのものや、電流ヒューズや温度ヒューズを内蔵し
てコンデンサの破裂、発火を防ぐタイプのものがあっ
た。

さらには、コンデンサの蒸着電極を蒸着時または蒸着後
に処理することにより、メタリコンとのコンタクト部と
容量形成部との間に限定した部分にのみ電流を流す電流
パス部を設け、容量形成部に流れる電流がすべてこの電
流パス部を流れるようにし、かつ全電極長を複数個に分
割し独立した複数個の容量形成部からコンデンサを構成
し、破壊した容量形成部のみを破壊時の電流により、そ
の容量形成部に通じている電流パス部を電気的に切断す
ることにより切離し、破裂、発火を防ぐ自己保安機能タ
イプものがあった。

自己保安機能タイプのコンデンサは、その安全性や経済
性から今後益々広く使用されるものと考えられるが、そ
の他全てのコンデンサにも共通して要求されるものに低
コスト化の要求があり、従来と同じ厚みのフィルムに従
来以上の定格電圧を印加するとか、従来と同じ定格電圧
であっても従来より薄いフィルムを用いるといったコン
デンサの高電位傾度化技術が必要となってきており、自
己保安機能付コンデンサの場合にも同様の高電位傾度化
を達成できる新しい技術が必要であった。

高電位傾度化のためにはフィルムに従来のような弱点部
があって、従来以上の電圧が印加されたとしても完全に
自己回復（セルフヒール:SH）できることが必要であ
る。つまり、フィルム全体のSH性を高めることが必要に
なってくる。

この要求に応える方法の一つに、電極を薄く蒸着し、電
極飛散時のエネルギーを低く抑え、誘電体の劣化を防ぐ
ことが考えられる。確かにこの方法によりコンデンサの
短時間破壊電圧は上昇し、その効果は大である。この場
合の問題点として、電極がアルミニウム（Al）の場合、
高温雰囲気中での寿命試験において電極を薄くして電極
面抵抗を高めれば高めるほど容量減少が大きくなること
があげられる。これは、金属のAlから絶縁物のAl₂O₃に
変わるためであり、電極が薄いほどAl₂O₃の部分が早く
広がる。従来のAlを蒸着した交流用のコンデンサでは、
これらのことより電極面抵抗は６Ω／□未満に抑えられ
ている。電極が亜鉛（Zn）の場合、これら容量減少の問
題は電極が100Ω／□程度の面抵抗を有していても何ら
問題にならず、高電位傾度化が可能となる。しかし、電
極面抵抗が30Ω／□を越えるとAl箔電極の場合と異な
り、元来弱いメタリコンと蒸着電極とのコンタクトが一
層弱まり、tanδが上昇する。これを解決するためにコ
ンタクト側の蒸着電極を容量形成部側の蒸着電極より厚
く蒸着する段付蒸着電極が用いられている。このように
して、電極がZnの場合コンデンサの高電位傾度化が検討
されている。

発明が解決しようとする問題点 ところが、Zn電極の場合、Al電極に比べて従来よりSH性
が悪く、それがコンデンサの絶縁性能の目安となるCR値
（容量×絶縁抵抗）の低下として数千時間を経過した後
に現われやすい。さらに決定的な問題は、段付蒸着電極
の場合、自己保安機能を動作させる目的でコンタクト側
の厚膜の蒸着電極に電流パス部を形成しても、蒸着電極
が容量形成部の破壊電流が小さいために電流パス部を切
断できず、小さい破壊電流が流れ続け、ついには発煙、
発火に到り、自己保安機能が発揮できないことがある。

本発明は自己保安機能を有するコンデンサの設計電位傾
度を高めても高いSH性と自己保安機能が両立でき、かつ
高温寿命試験においても容量減少が増大しにくく、長期
にわたって絶縁性が低下しにくい自己保安機能付コンデ
ンサを提供しようとするものである。

問題点を解決するための手段 そのために、本発明では、少なくとも金属化面の上に重
ねて酸化物絶縁層を形成した金属化プラスチックフィル
ムを最大表面粗さが100μｍ以下の凹凸を有する巻芯材
に巻回してコンデンサ素子を構成し、このコンデンサ素
子の外周に熱変形温度が80℃以下の熱可塑性プラスチッ
クフィルムよりなる延伸フィルムを保護フィルムとして
巻付けたことを特徴とするものである。

作用 本発明は自己保安機能付コンデンサの高電位傾度設計を
可能とするものである。自己保安機能付コンデンサに
は、最終破壊に至る前の自己回復可能な破壊に対しては
電流パス部が溶断されずに電極が飛散してきれいにSH
し、また、最終破壊に至るほどの破壊に対しては電流パ
ス部が溶断して自己保安機能を発揮する特性が要求され
る。

本発明ではこのように高電位傾度下においても良好なSH
性と自己保安機能動作を確保できる電極の上に重ねて酸
化物絶縁層を形成する。酸化物絶縁層の厚みは50Å〜10
00Åが好ましい。何如なら、自己保安機能を動作させる
ための一つの方法として、蒸着電極を放電処理によって
一定のパターンに飛散させ、電極の分割や電流パス部を
形成するが、電極と酸化物絶縁層の二層を酸化物絶縁層
がない場合と同じように一度で放電処理することができ
るからである。また、1000Åを越えるようになるとクラ
ックが発生しやすくなる。酸化物絶縁層は主に金属等の
無機物の酸化物絶縁層を用いる。無機酸化物絶縁層は、
蒸着、スパッターなどによりドライで連続的に簡便に形
成することができる。例えば、SiO,SiO₂，ガラス，Al₂O
₃,BeO,MgO,TiO,TiO₂,BaO,CaO,CeO₂，Ta₂O₃，Ta₂O₅WO₃,M
oO₃，ZrO₂，MoO₂などの絶縁層がそれぞれであり、この
他の無機酸化物絶縁層も同様である。この酸化物絶縁層
は大きな二つの働きをする。

一つは、電極やプラスチックフィルムへの酸素の供給を
遮断する働きである。特に電極がAlの場合、とりわけ高
温での寿命試験で容量減少が大きいのは金属のAlが酸化
されてAl₂O₃という絶縁物に変化するために起こってい
る。こうした電極の酸化を防ぐものが酸化物絶縁層であ
る。絶縁物でないと電極面抵抗が初期の値を維持できな
いからであり、有機物は安定しておらず結局的には分解
されて電極の酸化が起こる。

他の一つは、自己保安機能を働きやすくするためであ
る。特に誘電体がポリプロピレン（PP）で電極が本発明
のように薄くなると、フィルム相互間の密着性が極めて
よくなり、これはSHにとって不利な方向となる。SHによ
る電極飛散はフィルム相互に隙間があるほど大きく、ク
リーンなSHが発生する。つまり、絶縁性の回復がよくな
る。本発明の酸化物絶縁層は、薄い電極を持つフィルム
が存在する場合のフィルム相互間の密着性を低下させる
働きがある。したがって、最終的な破壊に至るまでは小
さくてクリーンなSHが発生するが、最終的な破壊が起こ
ると密着性が悪いためある程度大きな電流が流れ、電流
パス部を溶断させる。片面金属化フィルムの金属化面側
だけに酸化物絶縁層を形成したフィルムを用いたコンデ
ンサと、非金属化面側にも酸化物絶縁層を形成したフィ
ルムを用いたコンデンサと、いずれの面にも酸化物絶縁
層を形成しないフィルムを用いたコンデンサとでは、過
電圧印加時のSH数に差が見られる。両面に酸化物絶縁層
を形成した場合が最もSH数が多く、酸化物絶縁層を形成
しない場合が最もSH数が少ない。しかし、酸化物絶縁層
を形成しないフィルムを用いて密着性をあげていくと自
己保安機能が動作しない場合が発生する。

電極上に酸化物絶縁層を形成したコンデンサは、部分放
電の発生も若干抑えられるという観測結果も得ている。
これは絶縁層の存在のため電極からの電子放出が抑えら
れるためと考えている。

本発明よりなるコンデンサは、フィルム層間の密着性が
酸化物絶縁層のないコンデンサより若干低下するため、
特にコンデンサ素子の巻終り部をしっかり締める必要が
ある。その目的のために、保護フィルムとして、例えば
PPフィルムのような熱変形温度が80℃以下の延伸フィル
ムを巻回する。これは、80〜110℃の真空高温エージン
グ中に保護フィルムがコンデンサ素子を充分締めつける
必要があるからである。ポリエチレンテレフタレート
（PET）や紙といったフィルムは好ましくない。

また、本発明よりなるコンデンサは酸化物絶縁層の働き
が極めて大きく、したがってこの酸化物絶縁層が剥がれ
たりクラックが発生すると効果が著しく低下する。この
意味でコンデンサの巻芯の表面形状も極めて重要な問題
となる。例えば、巻芯にプラスチック成形品を使用する
ときなどは特に注意が必要で、プラスチック材質や成形
温度等によって成形品の表面粗さが違う。ポリブチレン
テレフタレート（PBT）の成形品は特に表面状態が悪
く、本発明よりなるコンデンサの場合、コンデンサの高
温真空エージングによる巻締りでフィルムが巻芯に圧着
され、巻芯近くのフィルムに酸化物絶縁層のクラックが
観測される。クラックの発生は最大表面粗さが100μｍ
を越えた凹凸部に発生しやすく、こうした凹凸のないPE
T成形品やガラス管ならびにプラスチックフィルムを巻
上げて巻芯としたものなどはクラックの発生は観測され
なかった。

このようにして本発明よりなるコンデンサは、高い電位
傾度下にあっても高温寿命試験での容量減少が少なく、
また、自己保安機能も充分動作することができるコンデ
ンサとなる。

実施例 以下図面とともに本発明の実施例について説明する。

第１図は本実施例の金属化プラスチックフィルムを説明
するものであり、左上から右下への斜線が蒸着された電
極を、右上から左下への斜線が蒸着電極上に形成された
酸化物絶縁層を表わしている。コンデンサを構成する少
なくとも一方の蒸着電極は、蒸着時かまたは蒸着後に電
流パス部１や電極分割部３が形成されて、複数の独立し
た容量形成部を構成するように分割電極２とする。第１
図ではメタリコンとの良好なコンタクトを得るために酸
化物絶縁層５が電流パス部１を残して蒸着電極上とマー
ジン４上に形成されているが、tanδがそれほど大きく
ならなければ電流パス部１も含めて全蒸着電極上に形成
してもよいし、マージン４がオイルマージンにより形成
されていて酸化物絶縁層５がマージン上に形成されにく
いときはそれでも問題はない。

第２図は第１図のＡ−Ａ′間の断面図でプラスチックフ
ィルム７上に蒸着電極６と酸化物絶縁層５が形成されて
いる。第３図は第１図のＢ−Ｂ′間の断面図である。

第４図は非金属化面側にも酸化物絶縁層を形成した場合
の第１図Ａ−Ａ′線における断面図に相当する断面図
で、第５図から第７図は第１図Ｂ−Ｂ′線における断面
図に相当する断面図で、それぞれプラスチックフィルム
７の非金属化面側にも酸化物絶縁層５を形成した場合、
非金属化面側には形成しないが電流パス部１上にも形成
した場合、非金属化面側にも電流パス部１上にも酸化物
絶縁層を形成した場合を表わしている。両面金属化フィ
ルムと非金属化フィルムとの組合わせでコンデンサを構
成する場合も同様の形成方法が成立し、これらいずれの
場合でもマージン部には酸化物絶縁層を形成できなくて
もよい。第８図は片面金属化プラスチックフィルムの場
合の従来例を示すもので、プラスチックフィルム17上に
自己保安機能を有するようにパターン処理された２〜５
Ω／□の蒸着電極16が形成されている。

第９図は巻回形コンデンサの素子を表しており、巻芯が
プラスチックフィルムよりなる先巻フィルム巻芯８とな
っている。第10図も巻回形コンデンサの素子を表わし、
この場合はプラスチック成形品よりなるハードコア９に
巻回されている。いずれの場合の巻芯8,9も巻芯表面の
最大表面粗さは100μｍ以下となっており、酸化物絶縁
層のクラックは発生していない。第11図は積層タイプの
コンデンサ素子を表わしており、この場合、分割電極の
長さに対する電流パス部の幅の割合（パス率）は100％
の場合も可能となる。つまり、特別の電流パス部を形成
しないで分割電極幅そのままでメタリコンとコンタクト
させても自己保安機能は動作する。第12図は本発明の実
施例であるAl蒸着片面金属化ポリプロピレンフィルムを
用いたコンデンサ80℃寿命試験結果で、一方のフィルム
は自己保安機能を発揮するよう電流パス部や電極分割の
処理をするが他方はしていない。フィルムの厚さは６μ
ｍで、20μＦのコンデンサである。○印10は本発明より
なる実施例コンデンサで、酸化物絶縁層が金属化面側だ
けに形成されている場合の特性を示し、△印11も本発明
よりなる実施例コンデンサで、酸化物絶縁層が金属化面
側と非金属化面側の両方に形成されている場合の特性を
示している。□印12は○・△と同じ条件ではあるが、酸
化物絶縁層がいずれの面にも形成されていない場合の特
性を示し、○・△・□いずれの場合も電極は電極面抵抗
が８〜12Ω／□の均等厚電極となっている。酸化物絶縁
層の形成されていない□印のコンデンサの容量減少が大
きいのに対して、本発明よりなる実施例コンデンサの容
量減少は小さくなっけいることがわかる。なお、印加電
圧は572Vである。

第１表は、本発明の実施例として金属化プラスチックフ
ィルムを巻回し、その保護フィルムとして外周に巻くフ
ィルムの種類を変えた場合の、660V、１分間課電の初期
耐圧試験後の容量減少をまとめたものである。

金属化プラスチックフィルムはポリプロピレンフィルム
よりなり、そのフィルム厚は８μｍ、コンデンサ容量は
20μＦで室温で課電した。熱変形温度の高いPETや紙で
は80〜110℃での真空エージング時に保護フィルムが充
分に収縮せず、コンデンサの巻終り側の巻締りが緩く、
初期耐圧時の容量減少が大きいのに対して、ポリプロピ
レンフィルム（PP）の場合にはコンデンサ素子の巻始め
から巻終りまでしっかり締り、初期耐圧時の容量減少が
小さく抑えれている。フィルム層間の密着性が従来のフ
ィルムより一層低下する本発明よりなるコンデンサで
は、その保護フィルムにどのようなフィルムを用いるの
かも重要な要件である。

次に、本発明によりなる金属化プラスチックフィルムを
最大表面粗さが100μｍを越える凹凸があるPBTの成形品
である巻芯に巻回し100℃にて真空エージングしたあと
巻戻して巻芯近くの金属化プラスチックフィルムと、本
発明よりなる金属化プラスチックフィルムを市販されて
いるPBT38μｍのフィルムを巻回した巻芯上に巻回し100
℃にて真空エージングしたあと巻戻して巻芯近くの金属
化プラスチックフィルムとを比較すると、PBT成形品の
ように巻芯表面の凹凸が大きいとその部分で酸化物絶縁
層や電極にクラックが発生し、そこが電気的な弱点とな
る。本発明が効果を充分発揮するには、酸化物絶縁層を
形成された金属化プラスチックフィルムが、例えばプラ
スチックフィルム巻回体巻芯やガラス管のように凹凸の
大きくない巻芯に巻回されることが必要である。

発明の効果 以上のように、コンデンサ素子の巻芯の近くでは巻芯材
の凹凸の影響を受け、酸化物絶縁層に割れが発生し容量
減少しやすいことや、コンデンサ素子の巻終り部でフィ
ルムテンションが緩くなり、密着性が低下し、初期耐圧
時に大きなセルフヒールが発生しやすいのであるが、本
発明の構成とすることにより、セルフヒールや酸化物絶
縁層の割れによる容量減少を防止し、この酸化物絶縁層
による酸化反応抑制効果を発揮させ、蒸着金属電極を消
失することなく、長期にわたって容量減少を防止できる
ことにより、高電位傾度設計を可能にする優れた効果を
奏するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すコンデンサの金属化プ
ラスチックフィルムの展開図、第２図は第１図Ａ−Ａ′
線における断面図、第３図は第１図Ｂ−Ｂ′線における
断面図、第４図は第２図に相当する本発明の他の実施例
における金属化プラスチックフィルムの断面図、第５図
乃至第７図はそれぞれ第３図に相当する本発明の他の実
施例における金属化プラスチックフィルムの断面図、第
８図は第３図に相当する従来例における金属化プラスチ
ックフィルムの断面図、第９図は本発明の他の実施例に
おける先巻フィルム巻芯に巻回されたコンデンサの斜視
図、第10図は本発明の他の実施例におけるプラスチック
成形品巻芯に巻回されたコンデンサの斜視図、第11図は
本発明の他の実施例における積層タイプコンデンサの斜
視図、第12図は本発明の実施例および従来のコンデンサ
の寿命試験特性図である。 １……電流パス部、２……分割電極、５……酸化物絶縁
層、６……蒸着電極、７……プラスチックフィルム、8,
9……巻芯。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】少なくとも一方の電極が複数個の分割電極
   より構成され、電極の面抵抗が６〜30Ω／□の均等厚電
   極を有する自己保安機能付コンデンサにおいて、少なく
   とも金属化面の上に重ねて酸化物絶縁層を形成した金属
   化プラスチックフィルムを最大表面粗さが100μｍ以下
   の凹凸を有する巻芯材に巻回してコンデンサ素子を構成
   し、このコンデンサ素子の外周に熱変形温度が80℃以下
   の熱可塑性プラスチックフィルムよりなる延伸フィルム
   を保護フィルムとして巻付けたことを特徴とする自己保
   安機能付コンデンサ。