JP6074658B2 - 金属化フィルムコンデンサ - Google Patents

Description

本発明は例えば各種電子機器、電気機器、産業機器の電子、電気回路に搭載される金属化フィルムコンデンサに関するものである。

金属化フィルムコンデンサは、一般に金属箔を電極に用いるものと、誘電体フィルム上に設けた蒸着金属を電極に用いるものとに大別される。中でも、蒸着金属を電極（以下、蒸着電極）とする金属化フィルムコンデンサは、金属箔を用いるものに比べて電極の占める体積が小さく小型軽量化が図れることと、蒸着電極特有の自己回復性能（絶縁欠陥部で短絡が生じた場合に、短絡のエネルギーで欠陥部周辺の蒸着電極が蒸発・飛散して絶縁化し、コンデンサの機能が回復する性能）により絶縁破壊に対する信頼性が高いことから、従来から広く用いられている。

この種の金属化フィルムコンデンサの構成を、特許文献１に記載された金属化フィルムコンデンサ１００を例に図６を用いて説明する。図６は金属化フィルムコンデンサ１００の透視斜視図である。

図６に示すように、金属化フィルムコンデンサ１００は、ポリプロピレンなどの誘電体フィルムの表面上にアルミニウム、亜鉛などの金属を蒸着して金属電極膜を形成した金属化フィルムを金属製の巻回軸１０１に巻回した後に熱プレスし、そしてその両端面に亜鉛などの金属を溶射して引出電極１０２を形成した構成となっている。そして、この金属化フィルムコンデンサ１００はさらに引出電極１０２がリード線やバスバー等の端子（図示せず）と抵抗溶接や半田付けによって機械的に接続され、使用されるものである。

なお、この特許文献１の金属化フィルムコンデンサ１００では、金属製の巻回軸１０１が用いられており、巻回軸１０１を２分割して両端面の引出電極１０２どうしの短絡を防いでいる。

特開２００８−２１１１２８号公報

金属化フィルムコンデンサにおいて、コンデンサ特性を優れたものとするためには、少しでも電力損失ひいては誘電正接（ｔａｎδ）を減少させることが望まれる。

この誘電正接は誘電体フィルムの材料や、巻回体と引出電極との接続状態等、様々な要因によって変化するが、その中でも引出電極と端子との接続状態に大きく左右されるものである。

したがって、コンデンサ特性の高い金属化フィルムコンデンサを得るためにも、金属化フィルムコンデンサにとって引出電極と端子の最適な接続状態を見出すことは重要である。

上記目的を達成するために本発明者が鋭意検討を行った結果、端子を巻芯により引出電極上に浮き出た直線状の凸部に対して垂直となるように引出電極に接続し、端子と引出電極の接合部を、凸部の上方ならびに下方に少なくとも１つずつ設けるとともに、凸部は端子と接合されていない構成とすることで誘電正接の小さい金属化フィルムコンデンサを実現できることを見出した。

上記のような構成とすることで、本発明の金属化フィルムコンデンサは端子と引出電極とを十分な面積で強固に接続することができる。この結果、端子の接続不良等が発生することを抑制でき、誘電正接が小さくコンデンサ特性の優れた金属化フィルムコンデンサを提供することが可能となる。

（ａ）実施の形態１における素子の偏平加工前の透視斜視図、（ｂ）同素子の偏平加工後の透視斜視図 実施の形態１の金属化フィルムコンデンサの正面断面図 （ａ）比較例１の金属化フィルムコンデンサの正面断面図、（ｂ）比較例２の金属化フィルムコンデンサの正面断面図 （ａ）実施の形態１の金属化フィルムコンデンサの誘電正接測定結果を示すグラフ、（ｂ）比較例１の金属化フィルムコンデンサの誘電正接測定結果を示すグラフ、（ｃ）比較例２の金属化フィルムコンデンサの誘電正接測定結果を示すグラフ 実施の形態２の金属化フィルムコンデンサの正面断面図 従来の金属化フィルムコンデンサの透視斜視図

（実施の形態１）
以下、図１ならびに図２を用いて、本実施の形態の金属化フィルムコンデンサ１の構成について説明する。図１（ａ）は本実施の形態の金属化フィルムコンデンサ１の素子２の偏平加工前の透視斜視図、図１（ｂ）は本実施の形態の金属化フィルムコンデンサ１の素子２の偏平加工後の透視斜視図、図２は本実施の形態の金属化フィルムコンデンサ１の正面断面図である。

まず、本実施の形態の金属化フィルムコンデンサ１に用いた素子２の説明をする。図１（ａ）に図示するように、本実施の形態の金属化フィルムコンデンサ１の素子２は巻芯３とこの巻芯３に巻回された金属化フィルム４で構成される。素子２は後述の如く押圧されることで図１（ｂ）に図示するように偏平形状となるが、押圧前は図１（ａ）に図示するように、円筒状の形状をなしている。

上記金属化フィルム４は、誘電体フィルム上に金属を所定のパターンに蒸着することで形成される。そして、２枚の金属化フィルム４を正負一対とし、蒸着にて形成された金属電極膜どうしが誘電体フィルムを介して対向するように巻芯３に巻回される。

なお、本実施の形態の金属化フィルムコンデンサ１では誘電体フィルムとして幅３０ｍｍ、厚み３．０μｍのポリプロピレンフィルムを用いたが、これ以外にも適当な幅および厚みのポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリフェニルサルファイド、ポリスチレンなどの樹脂フィルムを用いてもよい。また、本実施の形態の金属化フィルムコンデンサ１では金属電極膜を、アルミニウムを蒸着することで形成したが、これ以外にも亜鉛やスズ、マグネシウム等の金属、あるいはこれらの合金を用いて金属電極膜を形成してもよい。

巻芯３は、金属化フィルムコンデンサ１の誘電体フィルムと同様に、ポリプロピレンフィルムを材料としている。この巻芯３は、厚さが１０μｍ程度で、幅が誘電体フィルムと同等あるいは少し長いポリプロピレンフィルムを巻き取り装置の軸の上に５ターン程度巻回することで形成される。なお、上述した金属化フィルム４の巻芯３への巻回は、巻き取り装置の軸に巻芯３を作製後、そのまま引き続いて行われる。そして、金属化フィルム４の巻芯３への巻回が終了した後、金属化フィルム４と巻芯３は一緒に巻き取り装置の軸から抜き取られ、図１（ａ）に図示するような素子２が作製される。

そして、この図１（ａ）に図示する素子２は上方から冷間プレスにて押圧され、図１（ｂ）に図示するような偏平形状となる。ここで、巻芯３は図１（ａ）で図示したように、中空の円筒状となっており、さらに巻芯３はポリプロピレンフィルムにて形成され機械的強度がそれほど高くないため、この偏平加工は容易に行われるものである。このように、素子２を偏平形状に加工することで製品としての金属化フィルムコンデンサ１の大型化を抑制できる。

巻芯３は上記偏平加工により、円筒状から偏平形状に圧潰され、その両端面は図１（ｂ）に図示するように直線状となる。また、上述のように巻芯３はその幅が誘電体フィルムより少し長いポリプロピレンフィルムを用いているため、この偏平形状に圧潰された巻芯３の直線状の両端部は金属化フィルム４の両端面から僅かに外側に突出した状態となる。本実施の形態の素子２においては一方の端面につき０．５ｍｍ程度突出しているが、この突出の加減はある程度ばらついている。

そして、図２に図示するように、この素子２の両端面に金属を溶射し、引出電極５を形成した後、端子６を接続して金属化フィルムコンデンサ１が完成する。

本実施の形態の金属化フィルムコンデンサ１においては、素子２の両端面に溶射する金属として亜鉛を用いており、厚さ０．８ｍｍ程度の引出電極５を形成している。なお、亜鉛以外にもアルミニウム等の金属を用いても構わない。ここで、引出電極５は非常に薄く形成されるため、図２に図示するように素子２の両端面から僅かに突出した巻芯３の直線状の両端部は引出電極５上に浮き出た状態となっており、引出電極５の表面はこの巻芯３の両端部にあたる部分が、巻芯３の両端部の形状と同様に直線状に突出した凸部７となっている。この凸部７は素子２の引出電極５の両方ともに形成され、引出電極５表面から０．５ｍｍ程度盛り上がっている。

そして、この素子２両端の引出電極５に端子６としてのリード線が抵抗溶接にて接続される。このリード線は直径０．８ｍｍの錫メッキ軟銅線である。

本実施の形態の金属化フィルムコンデンサ１における抵抗溶接では、１．２ｋＡの電流を流し、発生した抵抗熱で端子６を溶融させ、同時に端子６を素子２方向に１９．６Ｎ程度の圧力で押圧することで端子６と引出電極５を溶接している。

ここで端子６は直線状の凸部７に対して垂直になるように配設され、端子６は凸部７に一部接触している。また、図２において図示はしないが、端子６は凸部７の直線部の中心において垂直に重なっている。抵抗溶接の際に端子６は素子２方向に押圧されたため、引出電極５の表面に沿った形状に変形しており、図２に図示するように凸部７の位置で僅かに屈曲した形状となっている。

特に、本実施の形態の金属化フィルムコンデンサ１では抵抗溶接の接合部を、凸部７を跨いで素子２の一方の端面につき２ヶ所設け、かつ凸部７は端子６に接合されていないことを特徴としている。すなわち、図２に図示するように、素子２の一方の端面において、凸部７の上方に接合部８が、凸部７の下方に接合部９がそれぞれ１ヶ所ずつ設けられており、凸部７にあたる位置には接合部を設けてはいない。

このように、本実施の形態の金属化フィルムコンデンサ１では抵抗溶接の接合部８、９が凸部７を跨いで設けられた構成により、誘電正接が小さくコンデンサ特性の優れたものとなっている。

この効果について、図３（ａ）、（ｂ）に示す比較例１、２と比較して説明する。これら比較例１、２の金属化フィルムコンデンサ２０１、３０１は、本実施の形態の金属化フィルムコンデンサ１と接合部の配置のみを変更したものであり、その他の構成は本実施の形態の金属化フィルムコンデンサ１と同様である。

まず、比較例１の金属化フィルムコンデンサ２０１は図３（ａ）に図示するように、素子２０２の両端面において、接合部２０８を凸部２０７上に、接合部２０９を凸部２０７の下方に設けている。

次に、比較例２の金属化フィルムコンデンサ３０１は図３（ｂ）に図示するように、素子３０２の両端面において、接合部３０８、３０９をともに凸部３０７の下方に隣接させて設けている。

これら、本実施の形態、比較例１、比較例２の金属化フィルムコンデンサについて誘電正接の良否について検証した結果を図４に示す。この測定においては、それぞれの金属化フィルムコンデンサにつき２０個の試料を準備し（Ｎ＝２０）、誘電正接のばらつきを評価したものである。誘電正接は測定電圧１ＶＡＣ、周波数１ｋＨｚで常温にて測定を行った。図４のグラフにおいて縦軸は誘電正接（％）、横軸は金属化フィルムコンデンサの個数（個）であり、図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）のグラフはそれぞれ本実施の形態の金属化フィルムコンデンサ１、比較例１の金属化フィルムコンデンサ２０１、比較例２の金属化フィルムコンデンサ３０１における結果である。

まず、図４（ａ）と図４（ｂ）を比較した結果、本実施の形態の金属化フィルムコンデンサ１は比較例１の金属化フィルムコンデンサ２０１に比べ、誘電正接が全体的に低い結果となった。本実施の形態の金属化フィルムコンデンサ１の誘電正接の平均が０．１２６％であることに対し、比較例１の金属化フィルムコンデンサ２０１の誘電正接の平均は０．１５６％であった。これは、比較例１の金属化フィルムコンデンサ２０１の接合部２０８が凸部２０７上に形成されており、端子２０６と引出電極２０５が十分な接触面積および接着力にて接合されていないためと考えられる。また、図４（ａ）と図４（ｂ）より比較例１の金属化フィルムコンデンサ２０１は本実施の形態の金属化フィルムコンデンサ１に比べ、誘電正接のばらつきが大きく一定の品質が保たれていないことがわかる。これは、比較例１の金属化フィルムコンデンサ２０１では接合部２０８を凸部２０７上に形成しているため、端子２０６と引出電極２０５の溶接が難しく、端子２０６と引出電極２０５を十分に密着させるのが困難なことや、端子２０６を引出電極２０５の所定の位置に位置決めするのが困難なことが原因であると考えられる。

このように、本実施の形態の金属化フィルムコンデンサ１は比較例１の金属化フィルムコンデンサ２０１に比べ、優れたコンデンサ特性を有している。また、金属化フィルムコンデンサの品質をできるだけ一定に保つためには、上述の理由から凸部２０７上には接合部を設けないことが望ましいことがわかる。

さらに、図４（ａ）と図４（ｃ）を比較すると、本実施の形態の金属化フィルムコンデンサ１は比較例２の金属化フィルムコンデンサ３０１に比べ全体として僅かに誘電正接が低いことがわかる。具体的には誘電正接の平均が、本実施の形態の金属化フィルムコンデンサ１が０．１１２６％に対し、比較例２の金属化フィルムコンデンサ３０１が０．１３６％であった。このように本実施の形態の金属化フィルムコンデンサ１が比較例２の金属化フィルムコンデンサ３０１に対しても誘電正接が低い結果となっている。これは、本実施の形態の金属化フィルムコンデンサ１の接合部８、９が間隔を空けて離れた位置に設けられていることに対し、比較例２の金属化フィルムコンデンサ３０１では接合部３０８、３０９が隣接して設けられていることに起因するのではないかと推測される。つまり、図３（ｂ）において図示するように、比較例２の金属化フィルムコンデンサ３０１においては、凸部３０７より上方は接合部が設けられておらず、この端子３０６の凸部３０７より上方の部分は引出電極３０５から外側方向に浮いてしまい易いことが考えられる。したがって、端子３０６が引出電極３０５に十分に密着できず、このため本実施の形態の金属化フィルムコンデンサ１の方が誘電正接が低い結果となったのではないかと推測される。

以上、検証結果にて示されるように本実施の形態の金属化フィルムコンデンサ１は誘電正接が他の構成の金属化フィルムコンデンサに比べて低いものであり、優れたコンデンサ特性を有している。

また、本実施の形態の金属化フィルムコンデンサ１によると端子６であるリード線が傾いたり、ずれたりして接合されることも無く、２本の端子６の間の寸法精度も優れたものとなっている。

特に、本実施の形態の金属化フィルムコンデンサ１は、抵抗溶接以外にも半田付け等の接合手段を用いてもよいものであるが、種々ある接合手段のうち抵抗溶接が望ましい。これは、半田付け時の熱影響により金属化フィルム４端面が熱収縮し、誘電正接が悪化してしまうことを避けるためである。また、元々溶接する引出電極５の面積が狭い本実施の形態の金属化フィルムコンデンサ１のような場合、半田が広がり、引出電極５から半田がはみ出す虞もある。

また、端子６と引出電極５の接合強度を向上させるために引出電極５を形成する溶射金属材料として合金線を用いることがあるが、コストの観点からは本実施の形態の金属化フィルムコンデンサ１のように亜鉛等の単金属で形成された線のみを使用することが望ましい。もちろん、このような単金属で形成された線は合金線に比べて接合強度が劣るものではあるが、本実施の形態の金属化フィルムコンデンサ１では単金属で形成された線にて引出電極５を形成した場合においても十分な接合強度を確保できるものである。したがって、本実施の形態の金属化フィルムコンデンサ１では十分な接合強度の確保と低コスト化を両立できる。

（実施の形態２）
本実施の形態の金属化フィルムコンデンサ２１においては、図２を用いて示した実施の形態１の金属化フィルムコンデンサと端子の構成が異なる。この本実施の形態の端子２６の構成について詳しく説明し、その他の構成については説明を省略する。

図５を用いて、本実施の形態の金属化フィルムコンデンサ２１の構成について説明する。図５は金属化フィルムコンデンサ２１の構成を示す正面断面図である。

図５にて図示するように、金属化フィルムコンデンサ２１においては、端子２６が凸部２７の上部ならびに下部において金属化フィルムコンデンサ２１とは反対方向に屈曲している。そして、この凸部２７の上部ならびに下部の屈曲部分の間はアーチを描くように凸部２７を跨いだ状態となっている。このため、凸部２７とこの凸部２７と対向するように配置された端子２６のアーチ部３０の間には隙間が存在し、凸部２７と端子２６は非接触状態となっている。なお、接合部２８、２９はそれぞれアーチ部３０の上方向、下方向に設けられている。

このように、端子２６が凸部２７に接触しないように、端子２６の形状を予め加工しておくと、溶接時に端子２６を引出電極２５に押圧した際に凸部２７からの反力を受けることがない。したがって、端子２６を引出電極２５にさらに密着させて強固に溶接することが可能となり、誘電正接をさらに減少させることができる。

また、このアーチ部３０を基準として端子２６を引出電極２５に対して位置決めすることが可能となり、位置決め精度も優れたものとなっている。

なお、アーチ部分の根元の屈曲部は折れ曲がった形状とするより、滑らかに湾曲した形状とすることが望ましい。湾曲した形状とすることにより溶接時の応力の集中を防ぐことができ、端子２６の破損を抑制することができる。

以上、実施の形態１および実施の形態２を用いて説明したように、本発明による金属化フィルムコンデンサは、誘電正接が小さく、コンデンサ特性の優れたものとなっている。

なお、実施の形態１の金属化フィルムコンデンサ１ならびに実施の形態２の金属化フィルムコンデンサ２１の説明において「上方」「下方」等の方向を示す用語は、構成部材の相対的な位置関係にのみ依存する相対的な方向を示すものであり、鉛直方向、水平方向等の絶対的な方向を示すものではない。したがって、金属化フィルムコンデンサ１や金属化フィルムコンデンサ２１を実使用する際には、必ずしも図２や図５で図示したように端子６や端子２６の延設方向が鉛直方向上向きとなるように配置する必要はなく、例えば鉛直方向下向きやあるいは水平方向に向くように配置しても構わない。

また、この発明は実施の形態１の金属化フィルムコンデンサ１や実施の形態２の金属化フィルムコンデンサ２１の構成に限定されるものではなく、発明の範囲内で種々変更して実施することが可能である。すなわち、上記の説明においては端子６、２６をリード線とした構成を示したが、この構成以外にも端子６、２６をバスバーとした構成においても本発明の効果を得ることができる。

本発明による金属化フィルムコンデンサは、誘電正接が小さくコンデンサ特性に優れるものである。したがって、各種電子機器、電気機器、産業機器の電子、電気回路等、様々な分野において使用される金属化フィルムコンデンサとして有用である。

１、２１ 金属化フィルムコンデンサ
２ 素子
３ 巻芯
４ 金属化フィルム
５、２５ 引出電極
６、２６ 端子
７、２７ 凸部
８、９、２８、２９ 接合部
３０ アーチ部

Claims (3)

1. 誘電体フィルム上に金属電極膜を有する金属化フィルムを前記金属電極膜が前記誘電体フィルムを介して対向するように巻芯に巻回し、これを押圧することで偏平形状に形成された素子と、
   前記素子の両端面に金属を溶射することで設けられた引出電極と、
   前記引出電極に接続された端子とを備え、
   前記端子は、前記巻芯により前記引出電極上に浮き出た直線状の凸部に対して垂直となるように前記引出電極と接続され、
   前記端子と前記引出電極の接合部は、前記凸部の上方ならびに下方に少なくとも１つずつ設けられるとともに、前記凸部は端子と接合されていない金属化フィルムコンデンサ。
2. 前記端子と前記引出電極は、抵抗溶接により接続された請求項１に記載の金属化フィルムコンデンサ。
3. 前記端子と前記凸部を非接触状態とした請求項１に記載の金属化フィルムコンデンサ。

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