JP4704951B2 - 金属化フィルムコンデンサ - Google Patents

Description

本発明は、直流フィルタ用または充放電用の金属化フィルムコンデンサであり、特に保安機構を備えた金属化フィルムコンデンサに関する。

金属化フィルムコンデンサとしては、プラスチックフィルムにアルミニウム、亜鉛、またはアルミニウム・亜鉛アロイを真空蒸着することによって、小セグメントに分割された金属蒸着電極が形成された金属化フィルムを採用しており、保安機構を備えているものがある。

特許文献１には、図７に示すようなパターンを有する金属蒸着電極が形成された金属化フィルム２１０、３１０が開示されている。
図７（ａ）の金属化フィルム２１０には、矩形の金属化フィルム２１０の短手方向一端部において長手方向に延在する第１の非蒸着部２１５と、第１の非蒸着部２１５から短手方向に沿って第１の非蒸着部２１５とは反対側の端部近傍まで延びる複数の第２の非蒸着部２１７と、第２の非蒸着部２１７の第１の非蒸着部２１５とは反対側の端部に接続されており、長手方向に延在する第３の非蒸着部２１９とが形成されている。
また、図７（ｂ）の金属化フィルムに３１０は、矩形の金属化フィルム３１０の短手方向一端部において長手方向に延在する第１の非蒸着部３１５と、第１の非蒸着部３１５から短手方向に沿って第１の非蒸着部３１５とは反対側の端部まで延びる複数の第２の非蒸着部３１７とが形成されている。
特開２００２−３２４７１９号公報（図１（ｄ）、（ｅ）） 特開平６−３１０３６８号公報（図１） 特開平９−２６０１８９号公報（図２（ｊ））

図７（ａ）、（ｂ）に示すような金属化フィルム２１０、３１０を備えたコンデンサにおいて、保安機構動作時に回路から切り離される電極（セグメント）は、いずれも隣接する２つの第２の非蒸着部２１７、３１７によって挟まれる細長領域となる。かかるコンデンサにおける１セグメントの面積は比較的大きく、容量減少が大きくなる。
したがって、ヒーリングの注入エネルギーを抑えるために、設計電位傾度を比較的低くする必要があり、小形化が困難である。また、使用電圧が高くなれば保安機構動作の信頼性が低くなるという問題がある。
また、特許文献２、３の「モザイク」電極と称される蒸着パターンは、保安機構動作の信頼性および良好な耐用性を保持するために、誘電体厚さや設計電位傾度ごとにセグメントサイズの見直しが必要となる問題があり、限られた数種類の蒸着パターンで設計対応することが難しく、また、ヒーリングの注入エネルギーを抑えるためには、設計電位傾度を低くする必要があるため、小形、軽量化が難しいという問題がある。

そこで、本発明の目的は、高電位傾度設計においても保安機構動作の信頼性が高く、かつ小型化が可能な金属化フィルムコンデンサを提供することである。

本発明の金属化フィルムコンデンサは、絶縁性フィルムの片面に金属蒸着電極が形成された一対の片面金属化フィルムを重ね合せるか、または絶縁性フィルムの両面に金属蒸着電極が形成された両面金属化フィルム若しくは前記片面金属化フィルムと、絶縁フィルムとを組合せ、これらを重ね合わせて巻回し、その巻回素子の両端面に電極引出部を形成してなるコンデンサ素子を有する金属化フィルムコンデンサにおいて、前記金属蒸着電極におけるコンデンサとして機能する部分の膜抵抗値が１０〜５０Ω／□であり、前記電極引出部に接続される部分の膜抵抗値が１〜５Ω／□であり、前記金属蒸着電極が形成される前記絶縁性フィルムには、巻回方向と直交する方向の一端部において巻回方向に沿って連続的に延在する第１の非蒸着部と、一端が前記第１の非蒸着部に接続されていると共に、前記第１の非蒸着部の延在方向と斜めに交わる第１の方向に沿って、前記絶縁性フィルムの前記一端部に対する他端部まで不連続に延在する櫛形形状の第２の非蒸着部とが形成され、前記第２の非蒸着部において前記第１の方向に沿って連続的に延在する部分は、前記第１の方向に長尺であり且つその前記第１の方向に沿う長さが１〜２０ｍｍで、前記複数の前記第２の非蒸着部間の間隔が３〜８ｍｍであり、前記第２の非蒸着部の延在方向における不連続部分の位置が、巻回方向に関して互いに隣接する２つの前記第２の非蒸着部の間でずれている。

さらに、本発明の金属化フィルムコンデンサでは、前記金属蒸着電極が、アルミニウム、亜鉛、またはアルミニウム・亜鉛アロイで形成されていることが好ましい。

さらに、本発明の金属化フィルムコンデンサは、絶縁油が充填された金属ケースに前記コンデンサ素子を収容した油浸タイプであってもよい。

また、本発明の金属化フィルムコンデンサは、樹脂ケースに前記コンデンサ素子を収容後、熱硬化性の樹脂を充填した乾式タイプであってもよい。

したがって、本発明の金属化フィルムコンデンサでは、一方向に沿って不連続に延在する第２の非蒸着部における連続的に延在する部分の間、および複数の第２の非蒸着部の間がヒューズ部として機能することとなる。これにより、ヒーリングによる注入エネルギーによりヒューズ機能し動作する金属蒸着電極が限られ、変動することになり、保安機構動作時に回路から切り離される電極（セグメント）の面積は必要最低限となる。
したがって、１セグメント当たりの容量は小さくなり、また容量減少も比較的小さくなる。よって、高電位傾度設計においても保安機構動作の信頼性が高く、容量減少も小さいことから小型軽量化が可能である。
また、蒸着前のパターンロールとベースフィルムとが面接触となり、マージンオイルの付着がよくなるので金属蒸着膜の膜抜け性がよく安定化する。

以下、本発明の好適な一実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。図１は、本実施の形態の金属化フィルムコンデンサの外観構造を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図である。
図２は、図１に示す金属化フィルムコンデンサの内部構造を示す図であり、（ａ）は正面から見た透視図、（ｂ）は側面から見た透視図、（ｃ）は（ｂ）の部分拡大図、（ｄ）は上面斜視図である。

図１、２に示すように、本実施の形態の金属化フィルムコンデンサ１０１は、直方体形状の熱可塑性の樹脂ケース１１０内に、後で詳述する金属化フィルム１０を巻回することによって形成されたコンデンサ素子１１を収納すると共に、エポキシ樹脂やポリウレタン樹脂等の熱硬化性樹脂２０を充填することによって作製されている。
樹脂ケース１１０は、ポリブチレンテレフタレート、ポリカーボネイト、ポリエチレンテレフタレート等による樹脂成形により作製される。

図１（ａ）に示すように、ケース１１０の上面には、ケース１１０内に樹脂２０を充填するための開口１１１と、後述する端子一体形結線銅板１３の外部引出端子１３ａを挿通させてケース１１０外に引き出すための開口１１２とが形成されている。

図２に示すように、樹脂ケース内１１０には、筒型のコンデンサ素子１１が、水平方向に４個、垂直方向に４段、合計１６個収納されている。より詳細には、コンデンサ素子１１は、いずれも樹脂ケース１１０の幅方向（図２（ａ）における紙面垂直方向）に沿って配置されている。
そして、コンデンサ素子１１の一端（図２（ｂ）における左側端部）の後述するメタリコン電極１１ａは、第１の導出用結線銅板１５と接続され、他端（図２（ｂ）における右側端部）の後述するメタリコン電極１１ｂは、第２の導出用結線銅板１７と接続される 。
第１の導出用結線銅板１５と第２の導出用結線銅板１７とは、コンデンサ素子１１のメタリコン電極１１ａ、１１ｂから端子一体形結線銅板１３までそれぞれ最短で引き出され、端子一体形結線銅板１３にはんだ付け接続される。

次に、コンデンサ素子１１について説明する。
本実施の形態においては、コンデンサ素子１１は、２枚の金属化フィルム１０を重ねたものを巻回し、その両端面にそれぞれメタリコンを施すことによってメタリコン電極１１ａ、１１ｂを形成することで作製される。

ここで、図３、４を参照しつつ、金属化フィルム１０について詳細に説明する。図３は、金属化フィルム１０の展開図であり、図４は、図３のIV-IV線に沿う断面図である。

図４に示すように、金属化フィルム１０は、絶縁性を有する矩形形状のフィルム１の片面に金属蒸着電極３を形成することによって作製されている。
より詳細には、図３に示すように、フィルム１の片面には、その短手方向一端部において長手方向に沿って連続的に延在する第１の非蒸着部５と、一端が第１の非蒸着部５に接続されていると共に、フィルム１の短手方向に対してやや傾いた方向に沿って、第１の非蒸着部５が形成されている側とは反対側の端部まで不連続に延在している複数の第２の非蒸着部７とを除く部分に金属蒸着電極３が形成されている。
複数の第２の非蒸着部７は互いに平行であり、等間隔で設けられている。ここで、本実施の形態においては、第２の非蒸着部７のピッチＬ１は７ｍｍであり、第２の非蒸着部７において連続的に延在する部分の長さＬ２（以下、「延在長さ」と称する）は、１８ｍｍである。

また、図４に示すように、フィルム１の金属蒸着電極３が形成されている側の面における第１の非蒸着部５側とは反対側の端部には、電極導出部３ａが設けられている。電極導出部３ａにおける金属蒸着電極３の厚みは、それ以外の領域よりも厚くなっている。そして、金属蒸着電極３の電極導出部３ａ以外の部分は、コンデンサとして機能するコンデンサ電極３ｂとなる。

なお、本実施の形態では、フィルム１は、厚さ７μｍの誘電体ポリプロピレンフィルムであり、金属蒸着電極３はアルミニウムで形成されている。また、金属蒸着電極３の電極導出部３ａの膜抵抗値は１〜５Ω／□であり、コンデンサ電極３ｂの膜抵抗値は２５Ω／□である。

上述のような金属化フィルム１０を２枚用意し、一方の金属化フィルム１０の金属蒸着電極３が形成されている側の面と、他方の金属化フィルム１０の金属蒸着電極３が形成されている側とは反対側の面とが互いに当接するように、より詳細には、一方の金属化フィルム１０の第１の非蒸着部５が形成されている端部と、他方の金属化フィルム１０の電極導出部３ａが設けられている端部とが一致するように互いに重ね合わせ、それらの長手方向に沿って巻回する。
そして、上述のように、巻回された金属化フィルム１０の両端部にメタリコンを施すことによってメタリコン電極１１ａ、１１ｂを形成し、コンデンサ素子１１が作製される。
このとき、メタリコン電極１１ａ、１１ｂは、金属蒸着電極３の電極導出部３ａと接続される。

以上のように、本実施の形態の金属化フィルムコンデンサ１０１では、金属蒸着電極３が形成される矩形形状のフィルム１には、短手方向一端部において長手方向に沿って連続的に延在する第１の非蒸着部５と、一端が第１の非蒸着部５に接続されていると共に、第１の非蒸着部５の延在方向と交わる方向に沿って、第１の非蒸着部５が形成されている側とは反対側の端部まで不連続に延在しており、かつ互いに平行である複数の第２の非蒸着部７とが形成されている。
したがって、一方向に沿って不連続に延在する第２の非蒸着部７における連続的に延在する部分の間、および複数の第２の非蒸着部７の間がヒューズ部として機能することとなる。これにより、ヒーリングによる注入エネルギーによりヒューズ機能し動作する金属蒸着電極が限られておらず変動することになり、保安機構動作時に回路から切り離される電極（セグメント）の面積は必要最低限となる。
その結果、１セグメント当たりの容量は小さくなり、容量減少も比較的小さくなる。
よって、高電位傾度設計においても保安機構動作の信頼性が高く、容量減少も小さいことから小型軽量化が可能である。

また、本実施の形態の金属化フィルムコンデンサ１０１では、第２の非蒸着部７の延在方向は、フィルム１の短手方向に対してやや斜めである。したがって、蒸着前のパターンロールとベースフィルムとが面接触となり、マージンオイルの付着がよくなるので金属蒸着膜の膜抜け性がよく安定化する。

さらに、本実施の形態の金属化フィルムコンデンサ１０１では、金属蒸着電極３はアルミニウムで形成されている。したがって、ニッケルや銅等を用いる場合と比べて、生産性、経済性、特性性能に優れる。

加えて、本実施の形態の金属化フィルムコンデンサ１０１は、樹脂ケース１１０内に、金属化フィルム１０を巻回することによって形成されたコンデンサ素子１１を収納すると共に、熱硬化性の樹脂２０を充填することによって作製された乾式タイプである。したがって、油浸タイプのコンデンサに比べて防災性に優れている。

以上、本発明の好適な一実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて、様々な設計変更を行うことが可能なものである。

例えば、上述の実施の形態では、金属蒸着電極３が、アルミニウムで形成されている場合について説明したが、これには限られない。アルミニウム以外では、亜鉛やアルミニウム・亜鉛アロイ等で形成することが好ましいが、ニッケルや銅等を用いてもよい。

また、上述の実施の形態では、絶縁性を有するフィルム１の片面に金属蒸着電極３が形成された２枚の金属化フィルム１０を重ねたものを巻回することによってコンデンサ素子１１を作製する場合について説明したが、これには限られない。
例えば、絶縁性を有するフィルムの両面に金属蒸着電極が形成された両面金属化フィルム、または絶縁性を有するフィルムの片面に金属蒸着電極が形成された片面金属化フィルムと絶縁フィルムとを組合せ、これらを重ね合わせたものを巻回することによってコンデンサ素子を作製してもよい。

また、上述の実施の形態では、第２の非蒸着部７の延在長さが１８ｍｍである場合について説明したが、第２の非蒸着部７の延在長さはこれには限らず、１〜２０ｍｍが好適である。

さらに、上述の実施の形態では、第２の非蒸着部７のピッチＬ１が７ｍｍである場合について説明したが、これには限定されない。なお、後で示すように、第２の非蒸着部７のピッチＬ１は、３〜８ｍｍである場合が好適である。

加えて、上述の実施の形態では、コンデンサ電極３ｂの膜抵抗値が２５Ω／□である場合について説明したが、これには限定されない。なお、後で示すように、コンデンサ電極３ｂの膜抵抗値は、１０〜５０Ω／□である場合が好適である。

また、上述の実施の形態では、複数の第２の非蒸着部７が等間隔で設けられている場合について説明したが、第２の非蒸着部７の間隔は等間隔でなくてもよい。

また、上述の実施の形態では、樹脂ケース１１０内に、コンデンサ素子１１を収納すると共に、熱硬化性の樹脂２０を充填することによって作製された乾式タイプの金属化フィルムコンデンサ１０１について説明したが、本発明は、絶縁油が充填された金属ケースにコンデンサ素子を収容することによって作製された油浸タイプのコンデンサに適用することも可能である。

（試験１）ここで、表１に示すように、上述の実施の形態で述べた第２の非蒸着部７のピッチＬ１が７ｍｍであり、コンデンサ電極３ｂの膜抵抗値が２５Ω／□であるような金属化フィルムコンデンサ１０１（試料４）と、第２の非蒸着部７のピッチＬ１をそれぞれ２、３、５、８、９ｍｍとした金属化フィルムコンデンサ（試料１〜３、５、６）と、現行品のコンデンサとを用いて破壊電圧試験を行った。なお、定格は、１５００Ｖ、３０μＦとした。

表１の試料１〜６を各５台作製し、現行品を２台作製した。そして、各試料に直流電圧を累積的にステップアップしながら印加して、ステップ毎に試料の静電容量を測定し容量減少値（ΔＣａｐ）−５％となる電位傾度を測定した。
図５は、当該試験の結果である。試料６は試験途中で絶縁低下しショート状態となった。試料２〜５の破壊電圧電位傾度は、５２０Ｖ／μｍ〜５７５Ｖ／μｍとなり、現行品の４２５Ｖ／μｍより約２２〜３５％高い結果であった。
この結果より、第２の非蒸着部のピッチＬ１が２ｍｍである場合には、耐電圧性能アップは比較的低く、第２の非蒸着部のピッチＬ１が９ｍｍである場合には、ショート状態となっていることから、第２の非蒸着部のピッチＬ１の寸法範囲は３〜８ｍｍであることが好ましい。

（試験２）次に、表２に示すように、上述の実施の形態で述べた第２の非蒸着部７のピッチＬ１が７ｍｍであり、コンデンサ電極３ｂの膜抵抗値が２５Ω／□であるような金属化フィルムコンデンサ１０１（試料４に相当）と、コンデンサ電極３ｂの膜抵抗値をそれぞれ８、１０、１５、４０、５０、６０Ω／□とした金属化フィルムコンデンサ（試料７〜９、１０〜１２）とを用いて保安性試験を行った。なお、定格は、１５００Ｖ、３０μＦとした。

表２の試料を各５台作製した。そして、試料に強制的に直流電圧を５０００ＶＤＣまで連続的に昇圧印加すると共に、５０００ＶＤＣにて１分保持した後、静電容量値を測定した。
試験の結果、コンデンサ電極の膜抵抗値が８Ω／□である場合は、試験途中でショート状態になった。コンデンサ電極の膜抵抗値が１０〜６０Ω／□である試料は、試験後の静電容量変化率−９８.３〜−９９.０％でほぼオープン状態となり保安機構の動作性は良好であった。

（試験３）続いて、表３に示すように、上述の実施の形態で述べた第２の非蒸着部７のピッチＬ１が７ｍｍであり、コンデンサ電極３ｂの膜抵抗値が２５Ω／□であるような金属化フィルムコンデンサ１０１（試料１６）と、コンデンサ電極３ｂの膜抵抗値をそれぞれ８、１０、１５、４０、５０、６０Ω／□とした金属化フィルムコンデンサ（試料１３〜１５、１７〜１９に相当）と、現行品のコンデンサとを用いて温度上昇試験を行った。なお、定格は、１５００Ｖ、１０００μＦとした。

表３の試料と現行品とを各２台作製した。そして、試料に実効電流１５０Ａrms、３ｋＨｚの高周波電流を通電し、樹脂ケース表面、および内部の温度を測定した。コンデンサ内部温度は試料のコンデンサ素子中心部に熱電対を挿入して測定した。
図６は、当該試験の結果である。試料１３〜１８の場合、現行品と比較してコンデンサ内部の温度上昇値は約４０％低くなった。
コンデンサ電極の膜抵抗値が６０Ω／□の試料１９における温度上昇値は、現行品と同等又はそれ以上に高くなっており、温度上昇値の低減効果はない結果であった。
この結果から、コンデンサ電極の膜抵抗値の範囲は１０〜５０Ω／□であることが好ましい。

以上の試験１〜３より、第２の非蒸着部のピッチＬ１を３〜８ｍｍ、コンデンサ電極の膜抵抗値を１０〜５０Ω／□とすることにより、現行品に比較して耐電圧性が大きく向上でき、かつ低インピーダンス化により、小形化に伴う温度上昇を抑制し、熱安定性にバランスよい優れた結果で、高温使用、長寿命設計が可能である。

本発明の実施の形態のかかる金属化フィルムコンデンサの外観構造を示す図である。 図１に示す金属化フィルムコンデンサの内部構造を示す図である。 図２に示すコンデンサ素子を構成する金属化フィルムの展開図である。 図３に示す金属化フィルムのIV-IV線に沿う断面図である。 試験１の結果を示すグラフである。 試験３の結果を示すグラフである。 従来の金属化フィルムコンデンサで用いられる金属化フィルムの展開図である。

符号の説明

１ フィルム（絶縁性フィルム）
３ 金属蒸着電極
３ａ 電極引出部
３ｂ コンデンサ電極
５ 第１の非蒸着部
７ 第２の非蒸着部
１０ 金属化フィルム
１１ コンデンサ素子
１１ａ、１１ｂ メタリコン電極
１３ 端子一体形結線銅板
１３ａ 外部引出端子
１５、１７ 導出用結線銅板
１０１ 金属化フィルムコンデンサ
１１０ 樹脂ケース
２１０ 金属化フィルム
２１５ 第１の非蒸着部
２１７ 第２の非蒸着部
２１９ 第３の非蒸着部
３１０ 金属化フィルム
３１５ 第１の非蒸着部
３１７ 第２の非蒸着部

Claims (4)

1. 絶縁性フィルムの片面に金属蒸着電極が形成された一対の片面金属化フィルムを重ね合せるか、または絶縁性フィルムの両面に金属蒸着電極が形成された両面金属化フィルム若しくは前記片面金属化フィルムと、絶縁フィルムとを組合せ、これらを重ね合わせて巻回し、その巻回素子の両端面に電極引出部を形成してなるコンデンサ素子を有する金属化フィルムコンデンサにおいて、
   前記金属蒸着電極におけるコンデンサとして機能する部分の膜抵抗値が１０〜５０Ω／□であり、前記電極引出部に接続される部分の膜抵抗値が１〜５Ω／□であり、
   前記金属蒸着電極が形成される前記絶縁性フィルムには、巻回方向と直交する方向の一端部において巻回方向に沿って連続的に延在する第１の非蒸着部と、一端が前記第１の非蒸着部に接続されていると共に、前記第１の非蒸着部の延在方向と斜めに交わる第１の方向に沿って、前記絶縁性フィルムの前記一端部に対する他端部まで不連続に延在する櫛形形状の第２の非蒸着部とが形成され、
   前記第２の非蒸着部において前記第１の方向に沿って連続的に延在する部分は、前記第１の方向に長尺であり且つその前記第１の方向に沿う長さが１〜２０ｍｍで、前記複数の前記第２の非蒸着部間の間隔が３〜８ｍｍであり、
   前記第２の非蒸着部の延在方向における不連続部分の位置が、巻回方向に関して互いに隣接する２つの前記第２の非蒸着部の間でずれていることを特徴とする金属化フィルムコンデンサ。
2. 前記金属蒸着電極が、アルミニウム、亜鉛、またはアルミニウム・亜鉛アロイで形成されていることを特徴とする請求項１に記載の金属化フィルムコンデンサ。
3. 絶縁油が充填された金属ケースに前記コンデンサ素子を収容した油浸タイプであることを特徴とする請求項１または２に記載の金属化フィルムコンデンサ。
4. 樹脂ケースに前記コンデンサ素子を収容後、熱硬化性の樹脂を充填した乾式タイプであることを特徴とする請求項１または２に記載の金属化フィルムコンデンサ。

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