JP4487817B2 - 金属化フィルムコンデンサ - Google Patents

Description

本発明は力率改善用の電力用、電気機器用、各種電源回路用および通信機器用、特に電気自動車を含む車両用等に使用される金属化フィルムコンデンサに関するものである。

近年、金属化フィルムコンデンサは従来の家電分野だけではなく、車両分野を始めとしてあらゆる分野に展開されており、自動車用においては、耐電圧が高く、温度特性、周波数特性に優れているという特徴から積極的に使用されるようになってきたものである。特に、金属化フィルムコンデンサの電極として用いられる金属蒸着フィルムは自己回復作用（以下、セルフヒーリング性という）を有することから好ましいものであり、この点も自動車用として高く評価されているものである。

図４（ａ）、（ｂ）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展開斜視図と誘電体フィルムの断面図であり、図４において、２０はポリプロピレン製の誘電体フィルム、２１はこの誘電体フィルム２０の片面に形成された金属蒸着電極、２２はこの金属蒸着電極２１の膜抵抗値よりも低い抵抗値になるように形成された低抵抗部であり、これにより金属化フィルムが形成され、この金属化フィルムを一対で用い、上記金属蒸着電極２１が誘電体フィルム２０を介して対向するように巻回し、両端面に電極２３を設けることにより金属化フィルムコンデンサを構成するようにしていたものである。

なお、このような金属化フィルムコンデンサにおいては、誘電体フィルム２０の表面粗さ２４は、表面（金属蒸着電極２１を形成する側の面）と裏面（金属蒸着電極２１を形成しない側の面）共に同じ表面粗さ２４に形成されているものであった。

また、特に自動車用においては小型軽量化が求められ、使用する誘電体フィルムの薄膜化が必須となってきており、これまでに金属化フィルムコンデンサの薄膜化による耐電圧の向上に関しては、いくつかの提案がなされている。例えば、ベース層と該ベース層の両面に積層された複合層とからなる二軸延伸ポリプロピレンフィルムであって、複合層表面は独立した粒状突起が形成された粗面を備えており、該フィルムの一方の面（Ｂ面）の表面粗さＲａが０．１５〜０．７μｍ、反対面（Ａ面）の表面粗さＲａが０．０５〜０．１３μｍであり、かつＡ面とＢ面の摩擦係数が０．７０以下であり、前記ポリプロピレンフィルムのベース層の結晶サイズが１４ｎｍ以下である電気物品用ポリプロピレンフィルムというものであり、このようにフィルムの滑りと結晶サイズを限定したことにより素子巻加工性に優れ、絶縁油の含浸が十分であり、短期及び長期寿命が向上し、絶縁破壊電圧に優れたコンデンサを得ることができるというものであった。

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。
特開平４−１６３０４２号公報

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、薄膜化による耐電圧の向上を目的として誘電体フィルムの表面粗さをより小さく、すなわち平滑化した場合には、製品の安全性から考えると金属化フィルムコンデンサ自体の破壊に繋がる可能性が高くなり、逆に誘電体フィルムの表面粗さを大きくすると耐電圧の低下が問題となり、また、先行技術文献情報である特許文献１に記載の技術を用いても、薄膜化による耐電圧の向上と寿命性、ならびに相反する保安性を両立させることは困難であるという課題があった。

本発明はこのような従来の課題を解決し、耐電圧性と寿命性、ならびに安全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ものである。

上記課題を解決するために本発明は、誘電体フィルムの幅方向の一端側に非金属蒸着部が長手方向に連続して残るようにして金属蒸着電極を形成すると共に、幅方向の他端側に上記金属蒸着電極の膜抵抗値より低い抵抗値となる低抵抗部を長手方向に連続して設け、かつ、上記金属蒸着電極部において非金属蒸着部が幅方向に等間隔で残るように設けられたスリットにより分割電極が形成され、この分割電極がヒューズにより並列接続された金属化フィルムを一対とし、上記低抵抗部が互いに逆方向になるようにして一対の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、両端面に夫々電極を形成して構成された金属化フィルムコンデンサにおいて、上記誘電体フィルムの金属蒸着電極を形成する側の面の表面粗さが金属蒸着電極を形成しない側の面の表面粗さよりも小さくなるよう
に、上記誘電体フィルムの金属蒸着電極を形成する側の面の表面粗さＲａを０．０３〜０．０５μｍ、金属蒸着電極を形成しない側の面の表面粗さＲａを０．０６〜０．０８μｍとしたという構成のものである。

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、誘電体フィルムの金属蒸着電極を形成する側の面の表面粗さが金属蒸着電極を形成しない側の面の表面粗さよりも小さくなるように、誘電体フィルムの金属蒸着電極を形成する側の面の表面粗さＲａを０．０３〜０．０５μｍ、金属蒸着電極を形成しない側の面の表面粗さＲａを０．０６〜０．０８μｍとしたことにより、表面粗さが大きい側により保安性が向上し、表面粗さが小さい側により耐電圧性と寿命性が向上するようになり、このように表面粗さの異なるフィルムが互いに個々の有する長所を発揮し、耐電圧性と寿命性、ならびに安全性を高めることができるという効果が得られるものである。

（実施の形態１）
以下、実施の形態１を用いて、本発明の特に請求項１、２、４に記載の発明について説明する。

図１（ａ）、（ｂ）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の構成を示した展開斜視図と誘電体フィルムの断面図、図２は同誘電体フィルムの重なり部を示した断面図であり、図１と図２において、１はポリプロピレン製の誘電体フィルム、２はこの誘電体フィルム１の片面に形成されたアルミニウムからなる金属蒸着電極であり、この金属蒸着電極２は誘電体フィルム１の幅方向の一端側に誘電体フィルム１の露出部分である非金属蒸着部３が長手方向に連続して残るようにして形成されているものである。

４は上記金属蒸着電極２の幅方向の他端側に設けられたアルミニウムと亜鉛の合金からなる低抵抗部であり、この低抵抗部４は上記金属蒸着電極２の膜抵抗値よりも低い抵抗値になるように形成されているものである。

５は上記金属蒸着電極２を分割するように幅方向に等間隔で設けられたスリットであり、このスリット５は誘電体フィルム１の露出部分である非金属蒸着部が残るようにして形成されており、これにより静電容量を形成する有効電極部が連続して連なった分割電極部が形成され、この分割電極部はヒューズ部により並列接続され、これにより金属化フィルムが構成されているものである。

このように構成された金属化フィルムを一対とし、誘電体フィルム１の幅方向の一端側に長手方向に連続して設けた低抵抗部４が互いに逆方向になるようにして一対の金属蒸着電極２が誘電体フィルム１を介して対向するように巻回し、両端面に夫々配設された低抵抗部４を電極引き出し部として、メタリコンからなる電極６を低抵抗部４上に形成することにより本実施の形態の金属化フィルムコンデンサが構成されているものである。

また、上記誘電体フィルム１は１枚のフィルムで表裏面の面粗さが夫々異なるように形成されており、金属蒸着電極２を形成する側の面１ａの表面粗さが金属蒸着電極２を形成しない側の面１ｂの表面粗さよりも小さくなるようにしたものである。より具体的には、金属蒸着電極２を形成する側の面１ａの表面粗さＲａを０．０３〜０．０５μｍとし、金属蒸着電極２を形成しない側の面１ｂの表面粗さＲａを０．０６〜０．０８μｍとしたものである。

このように構成された本実施の形態による金属化フィルムコンデンサは、誘電体フィルム１の一方の面の面粗さを大きくしたことにより、フィルム厚が最小となる部分（図２の(2)で示す部分）でセルフヒーリングが起こり易くなるために保安性の働きが良くなる。また、粗面化することによりセルフヒーリングが生じた際に、発生するガスの逃げ場を確保することができる点から粗面化フィルムは安全性に優れるものである。

また、表面粗さが小さい平滑面側では層間ギャップが保たれており、フィルム厚が最大となる部分（図２の(1)で示す部分）が存在するために耐圧性、寿命性に優れる。また、粗面化することにより上下の蒸着金属電極２との密着を防ぐことができるようになる（図２の(3)で示す部分）ために絶縁性を保つことが可能になり、このように絶縁性を確保することにより保安性として働くヒューズ切れやセルフヒーリングの連鎖を防ぐことが可能になり、貫通破壊を起こし難くなるものである。

なお、上記金属蒸着電極２を形成する側の面１ａの表面粗さＲａが０．０３μｍ未満の場合には保安性を満足することができなくなり、同０．０５μｍを超える場合には耐圧性が低下するために好ましくなく、また、上記金属蒸着電極２を形成しない側の面１ｂの表面粗さＲａが０．０６μｍ未満の場合には保安性を満足することができなくなり、同０．０８μｍを超える場合には寿命が低下するために好ましくないものであり、このような誘電体フィルム１の表面粗さによる特性の差を確認した結果を（表１）に示す。

（表１）から明らかなように、誘電体フィルム１の金属蒸着電極２を形成する側の面の表面粗さはＲａで０．０３〜０．０５μｍの範囲が適しており、また、金属蒸着電極２を形成しない側の面の表面粗さはＲａで０．０６〜０．０８μｍの範囲が適していることが分かるものである。

また、上記金属蒸着電極２は５〜２０Ω／ｃｍ²の膜抵抗を有するアルミニウムにより形成し、低抵抗部４は１〜５Ω／ｃｍ²の膜抵抗を有するアルミニウムと亜鉛の合金により形成したものであり、このような高抵抗部と低抵抗部４の膜抵抗による保安性試験を行った結果を（表２）に示す。

なお、保安性試験は、１００℃雰囲気下で、スタートＤＣ６００Ｖ〜ΔＣ＝９５％到達までとし、＋５０Ｖ／１０ｍｉｎ昇圧にて実施した。また、試験終了後、素子解体の上、貫通破壊の有無を確認した。

（表２）から明らかなように、高抵抗部となる金属蒸着電極２の膜抵抗が５Ω／ｃｍ²未満の場合にはセルフヒーリング性が悪くなり、また、２０Ω／ｃｍ²を超える場合には抵抗値が高いことから金属蒸着電極２が酸化してｔａｎδの増加に繋がり、発熱が増えるために好ましくない。

また、低抵抗部４の膜抵抗が１Ω／ｃｍ²未満の場合にはセルフヒーリング性が悪くなり、また、５Ω／ｃｍ²を超える場合には両端面に形成する電極６とのコンタクトが悪化し、ｔａｎδの増加に繋がるために好ましくない。

従って、金属蒸着電極２の膜抵抗は５〜２０Ω／ｃｍ²の範囲が適しており、低抵抗部４の膜抵抗は１〜５Ω／ｃｍ²の範囲が適していることが分かるものである。

このように構成された本実施の形態による金属化フィルムコンデンサの寿命試験における容量減少率、絶縁抵抗値を測定した結果を比較例としての従来品１と共に（表３）に示す。なお、寿命試験後の容量減少率は、１００℃恒温槽中でＤＣ５００Ｖを２０００時間連続印加後の室温におけるコンデンサの静電容量を測定した値より算出した。また、絶縁抵抗値は、ＤＣ５００Ｖを印加し、１分後の電流値を測定し、その結果より算出した。

また、従来品１は、誘電体フィルムの表面粗さが表裏面共に同じ面粗さである０．０３μｍとしたものを用いた。

（表３）から明らかなように、本実施の形態による金属化フィルムコンデンサは、保安性の動作性が良く、絶縁抵抗値の悪化も見られないという良好な結果が得られることが分かるのに対し、従来品１では、誘電体フィルムの表面が平滑であり、誘電体の絶縁破壊時のセルフヒーリングのエネルギーが小さいためにヒューズが溶断せず、破壊箇所が回路から遮断されないために絶縁抵抗値が小さい値になっているものである。

なお、このように構成された本実施の形態による金属化フィルムコンデンサは、直流用途を目的とし、電位傾度を１８０Ｖ／μｍ以上とする構成により、より薄いフィルム厚みで小型化を図った金属化フィルムコンデンサを実現することができるようになるものである。

（実施の形態２）
以下、実施の形態２を用いて、本発明の特に請求項３に記載の発明について説明する。

本実施の形態は、上記実施の形態１で説明した金属化フィルムコンデンサの金属蒸着電極の構成が一部異なるようにしたものであり、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説明する。

図３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金属化フィルムの構成を示した平面図であり、図３において、７は金属蒸着電極、８は幅方向の一端側に形成された低抵抗部、９は幅方向の他端側に形成された非金属蒸着部、１０は長手方向に形成されたスリット、１１は幅方向に形成されたスリット、１２はヒューズ部、１３はオーバーラップ部を示し、上記金属蒸着電極７は５〜２０Ω／ｃｍ²の膜抵抗を有するアルミニウムからなり、低抵抗部８は１〜５Ω／ｃｍ²の膜抵抗を有するアルミニウムと亜鉛の合金からなるものである。

上記長手方向に形成されたスリット１０は、誘電体フィルムの幅方向の中央から低抵抗部８側に寄った位置、すなわち誘電体フィルムの幅方向の１／２を超える位置に長手方向に連続して形成されたものである。また、この長手方向のスリット１０と上記非金属蒸着部９とを結ぶように幅方向に等間隔で形成されたスリット１１により分割電極が形成され、この分割電極は金属蒸着電極７に夫々接続されることにより並列接続されるように構成されたものである。

また、このように構成された金属化フィルムを一対で重ね合わせて巻回する際に、上記長手方向に形成されたスリット１０は互いに重なり合わないように、すなわちオーバーラップ部１３が確保されるように構成されたものである。

このように構成された本実施の形態による金属化フィルムコンデンサは、ヒューズ部１２を低抵抗部８に比べて高抵抗部分である分割電極側に配置することにより、セルフヒーリング性に優れ、高耐圧化が可能になるものである。また、低抵抗部８の近傍にヒューズ部１２がなく、ヒューズ部１２が電極引き出し部となる低抵抗部８から離れて配置されることになるため、優れた充放電特性を得ることができるようになるものである。

このように構成された本実施の形態による金属化フィルムコンデンサの充放電試験における容量減少率、１ｋＨｚにおけるｔａｎδ特性を測定した結果を比較例としての従来品１と比較して（表４）に示す。なお、充放電試験後の容量減少率は、コンデンサにＤＣ７５０Ｖを充電し、強制短絡させ、これを１００回繰り返した後の室温における静電容量、１ｋＨｚにおけるｔａｎδを測定した値を示す。

（表４）から明らかなように、本実施の形態による金属化フィルムコンデンサは、ヒューズ部１２が電極引き出し部から離れた位置に配置されるようにしているために優れた放電特性が得られるのに対し、従来品１は電極引き出し部の近傍にヒューズ部１２があるために、充放電時の電流によってヒューズ部１２が溶断し易くなっていることから容量減少が大きくなるという結果が得られ、本実施の形態による効果が顕著に分かるものである。

本発明による金属化フィルムコンデンサは、誘電体フィルムの金属蒸着電極を形成する側の面の表面粗さが金属蒸着電極を形成しない側の面の表面粗さよりも小さくなるようにしたことにより、面粗さが大きい側により保安性が向上し、面粗さが小さい側により耐電圧性と寿命性が向上するようになり、このように表面粗さの異なるフィルムが互いに個々の有する長所を発揮し、耐電圧性と寿命性、ならびに安全性を高めることができるという効果を有し、自動車用インバータ回路の平滑用等として有用である。

（ａ）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の構成を示した展開斜視図、（ｂ）同誘電体フィルムの断面図 同誘電体フィルムの重なり部を示した断面図 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金属化フィルムの構成を示した平面図 （ａ）従来の金属化フィルムコンデンサの構成を示した展開斜視図、（ｂ）同誘電体フィルムの断面図

符号の説明

１ 誘電体フィルム
１ａ 金属蒸着電極を形成する側の面
１ｂ 金属蒸着電極を形成しない側の面
２、７ 金属蒸着電極
３、９ 非金属蒸着部
４、８ 低抵抗部
５、１０、１１ スリット
６ 電極
１２ ヒューズ部
１３ オーバーラップ部

Claims (4)

1. ポリプロピレンからなる誘電体フィルムの片面に、幅方向の一端側に誘電体フィルムの露出部分となる非金属蒸着部が長手方向に連続して残るようにして金属蒸着電極を形成すると共に、幅方向の他端部に上記金属蒸着電極の膜抵抗値より低い抵抗値となる低抵抗部を長手方向に連続して設け、かつ、上記金属蒸着電極部において誘電体フィルムの露出部分となる非金属蒸着部が幅方向に等間隔で残るように設けられたスリットにより分割電極が形成され、この分割電極がヒューズにより並列接続された金属化フィルムを一対とし、上記低抵抗部が互いに逆方向になるようにして一対の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、両端面に夫々配設された低抵抗部を電極引き出し部として電極を形成することにより構成された金属化フィルムコンデンサにおいて、上記誘電体フィルムの金属蒸着電極を形成する側の面の表面粗さが金属蒸着電極を形成しない側の面の表面粗さよりも小さくなるように、上記誘電体フィルムの金属蒸着電極を形成する側の面の表面粗さＲａを０．０３〜０．０５μｍ、金属蒸着電極を形成しない側の面の表面粗さＲａを０．０６〜０．０８μｍとした金属化フィルムコンデンサ。
2. 金属蒸着電極は５〜２０Ω／ｃｍ²の膜抵抗を有するアルミニウムにより形成し、低抵抗
   部は１〜５Ω／ｃｍ²の膜抵抗を有するアルミニウムと亜鉛の合金により形成した請求項
   １に記載の金属化フィルムコンデンサ。
3. 誘電体フィルムの幅方向の中央から低抵抗部側に寄った位置に長手方向に連続したスリットを設け、かつ、このスリットから非金属蒸着部に向かうスリットを幅方向に等間隔で設けることにより分割電極を形成し、この分割電極がヒューズにより並列接続された金属化フィルムを用いた請求項１に記載の金属化フィルムコンデンサ。
4. 電位範囲を１８０Ｖ／μｍ以上とする直流用途に用いるようにした請求項１に記載の金属化フィルムコンデンサ。

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