JP6742898B2 - 金属化フィルムコンデンサの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、誘電体フィルム、金属蒸着電極、膜厚を厚くした低抵抗部（ヘビーエッジ部）を基本構造とする第１および第２の金属化フィルムを交互に重ね合わせ、陽極側および陰極側の電極引出し部（メタリコン）が接続されてなるコンデンサ素子を有し、さらに、金属蒸着電極としてアルミニウム（Ａｌ）を主成分とする蒸着電極を用いて構成される金属化フィルムコンデンサの製造方法に関する。

上記構成の金属化フィルムコンデンサは一般的に図２に示すような構造（概略構造）を有している（例えば特許文献１参照）。図２において、１は第１の金属化フィルム、２は第２の金属化フィルム、１ａ，２ａは誘電体フィルムとしてのポリプロピレンフィルム、１ｂ，２ｂはアルミニウムを主成分とする蒸着電極、１ｃ′，２ｃ′は膜厚を厚くした低抵抗部、１ｄ，２ｄは絶縁マージン、３Ａは陽極側の電極引出し部、３Ｂは陰極側の電極引出し部、４はコンデンサ素子、５Ａは陽極側の外部引き出し端子、５Ｂは陰極側の外部引き出し端子である。

第１の金属化フィルム１において、ポリプロピレンフィルム１ａのフィルム面上にアルミニウムを主成分とする蒸着電極１ｂが形成され、蒸着電極１ｂの幅方向の一端側の表面に膜厚を厚くした低抵抗部１ｃ′が形成されている。同様に、第２の金属化フィルム２において、ポリプロピレンフィルム２ａのフィルム面上にアルミニウムを主成分とする蒸着電極２ｂが形成され、蒸着電極２ｂの幅方向の他端側の表面に低抵抗部２ｃ′が形成されている。

第１の金属化フィルム１と第２の金属化フィルム２とが重ね合わされた上で多重に巻回されて円筒状にされ、プレスで断面小判形の扁平柱状体に成形され、その軸方向の一端および他端のそれぞれにおいて亜鉛（Ｚｎ）の金属溶射により陽極側の電極引出し部３Ａと陰極側の電極引出し部３Ｂを接続してコンデンサ素子４を構成している。蒸着電極１ｂと低抵抗部１ｃ′は陽極側の電極引出し部３Ａに接続され、蒸着電極２ｂと低抵抗部２ｃ′は陰極側の電極引出し部３Ｂに接続される。

そして、陽極側の電極引出し部３Ａに対して陽極側の外部引き出し端子５Ａが接続され、陰極側の電極引出し部３Ｂに対して陰極側の外部引き出し端子５Ｂが接続されて金属化フィルムコンデンサが構成されている。

一般的に亜鉛の溶射によって形成される電極引出し部３Ａ，３Ｂに対してアルミニウムからなる蒸着電極１ｂ，２ｂを電気的に接続する。この場合に、接続抵抗を小さくするために蒸着電極１ｂ，２ｂの端部に亜鉛の蒸着膜による低抵抗部１ｃ′，２ｃ′を形成し、この亜鉛の低抵抗部１ｃ′，２ｃ′を介してアルミニウムの蒸着電極１ｂ，２ｂと亜鉛の電極引出し部３Ａ，３Ｂとを接続する。

図３は特許文献２に開示された第１の従来例の金属化フィルムコンデンサの要部の断面構造を示す。ポリプロピレンフィルム１１上にアルミニウムからなる蒸着電極１２Ａが形成され、このアルミニウムからなる蒸着電極１２Ａの幅方向端部に亜鉛の蒸着膜による低抵抗部１２Ｃが形成されている。そして、亜鉛の低抵抗部１２Ｃとアルミニウムの蒸着電極１２Ａとの全体に対してマグネシウムからなる蒸着電極１２Ｂが形成されている。なお、蒸着電極部のうち低抵抗部１２Ｃを除いた部分であるアクティブ部はアルミニウムの蒸着電極１２Ａとマグネシウムの蒸着電極１２Ｂとの２層構造となっている（図８Ａ、段落［００７６］参照）。

蒸着電極部のアクティブ部をアルミニウムとマグネシウムとの２層構造とすることにより、アルミニウム単独で構成する場合に比べて耐湿性が改善されるとしている（段落［００７１］参照）。すなわち、アルミニウムは水分と反応して酸化アルミニウム（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）を生成するが、これは絶縁体であるために、蒸着電極部としての機能が損なわれることになる。そこで、水分との反応性がアルミニウムより高いマグネシウムを加えることにより水分を取り除き、耐湿性の改善を通じて漏れ電流を低減する（段落［００２９］〜［００３４］参照）。

亜鉛の低抵抗部１２Ｃの上部を被覆するマグネシウムの蒸着電極１２Ｂの役割については、マグネシウムの蒸着電極１２Ｂが亜鉛の低抵抗部１２Ｃの酸化劣化を抑制するとしている（段落［００７６］参照）。

図４は特許文献３に開示された第２の従来例の金属化フィルムコンデンサの要部の断面構造を示す。ポリプロピレンフィルム３ａ（３ｂ）上にアルミニウムの蒸着電極４ａ（４ｂ）が形成され、このアルミニウムの蒸着電極４ａ（４ｂ）の幅方向端部に亜鉛（またはアルミニウム）の低抵抗部１３ａ（１３ｂ）が形成されている。そして、亜鉛の低抵抗部１３ａ（１３ｂ）の上面に対して主成分が酸化アルミニウム（絶縁体）からなる蒸着膜（第１の膜）１４ａ（１４ｂ）が形成され、さらに酸化アルミニウムの第１の蒸着膜１４ａ（１４ｂ）の上面に酸化マグネシウム（ＭｇＯ）からなる蒸着膜（第２の膜）１５ａ（１５ｂ）が形成されている。５ａ（５ｂ）は絶縁マージンである。

この場合に、亜鉛の低抵抗部１３ａ（１３ｂ）を酸化アルミニウムの第１の蒸着膜１４ａ（１４ｂ）で覆い、さらに第１の蒸着膜１４ａ（１４ｂ）を酸化マグネシウムの第２の蒸着膜１５ａ（１５ｂ）で覆っているので、低抵抗部１３ａ（１３ｂ）の腐食が抑制され、アルミニウムの蒸着電極４ａ（４ｂ）とメタリコン電極６ａ（６ｂ）との優れたコンタクト性を長期間にわたり維持できるとしている。その理由は、マグネシウムは水に対する反応性がアルミニウムよりも高くてコンデンサの内部に浸入してきた水分を取り除く性質に優れるため、低抵抗部１３ａ（１３ｂ）と水分の接触を抑制できるからであるとしている（図４、段落［００４５］〜［００４９］参照）。なお、第２の蒸着膜１５ａ（１５ｂ）については、酸化マグネシウムの代わりに酸化ベリリウムまたは酸化チタンで構成してもよいとしている（段落［００５１］参照）。

以上、第１の従来例と第２の従来例について詳しく見てきた。いずれも水分との反応性がアルミニウムより高いマグネシウムを追加することによって水分を取り除き、耐湿性を改善することに重点をおいている。

特開２０１３−２１９０９４号公報 国際公開第２０１１／０５５５１７号 国際公開第２０１３／１７９６１２号

しかしながら、特許文献２、３に記載のフィルムコンデンサによれば、耐湿性は改善するものの、以下に示す問題があった。

アルミニウムや亜鉛を誘電体フィルム上に蒸着する際に、誘電体フィルムは蒸着源からの熱影響を少なからず受けてしまうが、ポリプロピレンフィルム等の誘電体フィルムは比較的熱に弱い。そのため、アルミニウム蒸着源や亜鉛蒸着源に加えてマグネシウムを蒸着するための蒸着源を設けた場合には、誘電体フィルムが受ける熱ダメージが大きくなり、誘電体フィルムが劣化するおそれがある。

また、マグネシウムを蒸着するための蒸着源を新たに配置する必要があることから、設備の増設を要し、コストが増加してしまう。

また、特許文献１に記載のフィルムコンデンサでは、低抵抗部の亜鉛とポリプロピレンフィルム等の誘電体フィルムの密着性が悪く、低抵抗部と対向する誘電体フィルムとが密着せず、低抵抗部と誘電体フィルムとの界面にわずかではあるが他の部位と比較して大きな空隙が生じ、長期使用における電圧印加によって空隙での部分放電が頻発し、誘電体フィルムの絶縁性能の低下、フィルム端部の集中破壊ひいては金属化フィルムコンデンサの寿命短縮を招いていた。

本発明はこのような事情に鑑みて創作したものであり、誘電体フィルムの熱による劣化を抑制しながら、低抵抗部と誘電体フィルムとの密着性を改善することでフィルム端部の集中破壊を確実に防止し、金属化フィルムコンデンサの寿命を向上させることを目的とする。

すなわち、一方の金属化フィルムにおける低抵抗部と、この金属化フィルムに重ね合わされる他方の金属化フィルムにおける誘電体フィルムとの密着性の改善を図ろうとするものである。

本発明は、次の手段を講じることにより上記の課題を解決する。

本発明による金属化フィルムコンデンサの製造方法は、
誘電体フィルムの表面にアルミニウムを主成分とする金属微粒子を蒸着して蒸着電極を形成し、前記蒸着電極の幅方向の一方端の表面に蒸着膜厚を厚くして抵抗値を低くした低抵抗部を形成して第１および第２の金属化フィルムを作製する工程と、
得られた前記第１および第２の金属化フィルム各々の前記低抵抗部の前記幅方向における位置関係を互いに反対側とする状態で、これら第１の金属化フィルムと第２の金属化フィルムとを重ね合わせて巻回する工程と、
得られた巻回体の軸方向の一端および他端にそれぞれ陽極側および陰極側の電極引出し部を接続してコンデンサ素子を作製する工程と、
前記コンデンサ素子の前記陽極側および陰極側の各電極引出し部にそれぞれ極性を対応させて陽極側および陰極側の外部引き出し端子を接続する工程と
を備えた金属化フィルムコンデンサの製造方法であって、
前記蒸着電極および低抵抗部を形成する工程は、
前記アルミニウムを主成分とする金属蒸着源から蒸発される金属微粒子を前記誘電体フィルムに付着させる第１の工程と、
亜鉛とマグネシウムの混合蒸着源から蒸発される亜鉛・マグネシウムの微粒子を、前記アルミニウムを主成分とする蒸着電極の幅方向の一方端の表面に付着させて前記第１および第２の金属化フィルムにおける前記各低抵抗部を亜鉛とマグネシウムの混合蒸着層で形成する第２の工程と
を有することを特徴とする。

上記構成の本発明の金属化フィルムコンデンサおよびその製造方法においては、誘電体フィルムのフィルム面に金属の蒸着によって蒸着電極を形成するが、これについてはアルミニウムを主成分とする蒸着電極とする。誘電体フィルムに蒸着電極を形成したものが金属化フィルムであるが、これには陽極側の金属化フィルムと陰極側の金属化フィルムとがある。これが第１の金属化フィルムと第２の金属化フィルムであり、いずれが陽極側であってもいずれが陰極側であっても構わない。第１の金属化フィルムの幅方向の一端側の表面に蒸着膜厚を厚くして抵抗値を低くした低抵抗部が形成され、第２の金属化フィルムの幅方向の他端側の表面に同様の低抵抗部が形成される。低抵抗部は蒸着電極（主成分アルミニウム）の幅方向の端部でその電極面に積層する状態で蒸着されたものである。第１の金属化フィルムの低抵抗部は第２の金属化フィルムの誘電体フィルムに接触し、第２の金属化フィルムの低抵抗部は第１の金属化フィルムの誘電体フィルムに接触する状態で、第１の金属化フィルムと第２の金属化フィルムとが交互に重ね合わされる。

本発明の金属化フィルムコンデンサにおいては、金属化フィルムの幅方向端部における蒸着金属上の低抵抗部が亜鉛とマグネシウムとを含有する蒸着金属（混合蒸着金属）で構成されていることから、この亜鉛・マグネシウムからなる低抵抗部と誘電体フィルムとの密着性が向上し、その結果、低抵抗部と誘電体フィルムとの界面での空隙の発生ひいては電圧印加による空隙での部分放電を防止する。よって、誘電体フィルムの絶縁性能の低下（フィルム端部の集中破壊）を確実に防止することができ、金属化フィルムコンデンサの寿命を延ばすことが可能となった。

また、従来例のように亜鉛の蒸着とマグネシウムの蒸着とを個別に実施する場合は個別の蒸着源の熱影響による誘電体フィルムの熱ダメージが大きいが、本発明のように混合蒸着することは亜鉛とマグネシウムの蒸着源を共有一体化することであり、蒸着源の熱影響による誘電体フィルムの熱ダメージを軽減し、誘電体フィルムの劣化を抑制することができる。

さらに、本発明においては、蒸着源の坩堝（るつぼ）内で亜鉛とマグネシウムを混合状態とした上で蒸発させ、誘電体フィルム上の蒸着電極上に蒸着する。誘電体フィルム上のアルミニウムの蒸着電極に対して亜鉛とマグネシウムとを含む低抵抗部を金属蒸着によって形成するのに、亜鉛の蒸着とマグネシウムの蒸着とを前後して層状に形成したり、あるいはマグネシウムの蒸着と亜鉛の蒸着とを前後して層状に形成する場合に比べて、亜鉛とマグネシウムが混在するかたちで蒸着して一挙に形成するようにしている。亜鉛の蒸着とマグネシウムの蒸着とを個別に実施する場合は、蒸着源の坩堝および加熱源、冷却部、制御部などを別個に必要とするが、混合蒸着であればそれらの設備を単一化ないし共通化することが可能となり、製造設備をその規模（コスト、設置スペース）において縮小化することができる。

なお、低抵抗部を構成する亜鉛とマグネシウムとの蒸着金属において、マグネシウムの含有量が１０〜５０重量％に設定するのが好ましい。

本発明によれば、誘電体フィルムに対する低抵抗部の密着性を向上させ、両者間での空隙の発生ひいては部分放電を防止し、誘電体フィルムの絶縁性能の低下（フィルム端部の集中破壊）を確実に防止するため、金属化フィルムコンデンサの寿命延長に効果を発揮する。さらに、亜鉛とマグネシウムとを含む低抵抗部を形成するに亜鉛の蒸着源とマグネシウムの蒸着源とを共有一体化してあるので、製造設備（コスト、設置スペース）を小規模化できるとともに、蒸着源による熱ダメージを軽減して誘電体フィルムの信頼性を向上することができる。

本発明の実施例における金属化フィルムコンデンサの構造を概略的に示す断面図 一般的な金属化フィルムコンデンサの構造を概略的に示す断面図 第１の従来例の金属化フィルムコンデンサの要部の構造を示す断面図 第２の従来例の金属化フィルムコンデンサの要部の構造を示す断面図

以下、上記構成の本発明の金属化フィルムコンデンサにつき、その実施の形態を具体的な実施例のレベルで詳しく説明する。

図１は本発明の実施例における金属化フィルムコンデンサの構造を概略的に示す断面図である。図１において、１は第１の金属化フィルム、２は第２の金属化フィルム、１ａ，２ａは誘電体フィルムとしてのポリプロピレンフィルム、１ｂ，２ｂはアルミニウムを主成分とする蒸着電極、１ｃ，２ｃは膜厚を厚くした低抵抗部、１ｄ，２ｄは絶縁マージン、３Ａは陽極側の電極引出し部（メタリコン）、３Ｂは陰極側の電極引出し部、４はコンデンサ素子、５Ａは陽極側の外部引き出し端子、５Ｂは陰極側の外部引き出し端子である。

第１の金属化フィルム１は、ポリプロピレンフィルム１ａのフィルム面上にアルミニウムを主成分とする蒸着電極１ｂが形成され、さらに蒸着電極１ｂの幅方向の一端側の表面に膜厚を厚くした低抵抗部１ｃが形成されたものである。同様に、第２の金属化フィルム２は、ポリプロピレンフィルム２ａのフィルム面上にアルミニウムを主成分とする蒸着電極２ｂが形成され、さらに蒸着電極２ｂの幅方向の他端側の表面に膜厚を厚くした低抵抗部２ｃが形成されたものである。第１の金属化フィルム１における低抵抗部１ｃと第２の金属化フィルム２における低抵抗部２ｃとは、幅方向（コンデンサ素子４の軸方向）で互いに反対側に位置している。

第１の金属化フィルム１と第２の金属化フィルム２とが重ね合わされた上で多重に巻回されて円筒状にされ、さらに直径方向にプレスして断面小判形の扁平柱状体に成形される。その軸方向の一端および他端のそれぞれにおいて亜鉛（Ｚｎ）などの金属溶射により陽極側の電極引出し部３Ａと陰極側の電極引出し部３Ｂを接続することにより、コンデンサ素子４を構成している。

第１の金属化フィルム１の場合、低抵抗部１ｃに対して幅方向の反対側の端部において蒸着電極１ｂが形成されていない絶縁マージン１ｄが確保されている。これは、蒸着電極１ｂが陰極側の電極引出し部３Ｂに対して非接続の絶縁状態を保つためである。第１の金属化フィルム１における蒸着電極１ｂと低抵抗部１ｃは陽極側の電極引出し部３Ａに対して電気的に接続される。一方、第２の金属化フィルム２の場合、低抵抗部２ｃに対して幅方向の反対側の端部において蒸着電極２ｂが形成されていない絶縁マージン２ｄが確保されている。これは、蒸着電極２ｂが陽極側の電極引出し部３Ａに対して非接続の絶縁状態を保つためである。第２の金属化フィルム２における蒸着電極２ｂと低抵抗部２ｃは陰極側の電極引出し部３Ｂに対して電気的に接続される。このような接続形態は扁平柱状体のコンデンサ素子４の各周回部分で重ね合わされている第１および第２の金属化フィルム１，２のそれぞれに当てはまる。

そして、コンデンサ素子４の陽極側の電極引出し部３Ａに対して陽極側の外部引き出し端子５Ａが接続され、陰極側の電極引出し部３Ｂに対して陰極側の外部引き出し端子５Ｂが接続されて金属化フィルムコンデンサが構成されている。

上記構成の金属化フィルムコンデンサにあっては、誘電体フィルム（１ａ，２ａ）がポリプロピレンフィルムで構成され、蒸着電極１ａ，２ａが主成分をアルミニウムとする蒸着膜として形成され、さらに低抵抗部１ｃ，２ｃが亜鉛とマグネシウムとを含有する蒸着金属で構成されている。

低抵抗部１ｃ，２ｃを構成する亜鉛とマグネシウムとの混合割合については、マグネシウムの含有量を１０〜５０重量％、亜鉛の含有量を９０〜５０重量％とするのが好ましい。マグネシウムの含有量を１０重量％以上とすることにより、金属化フィルムコンデンサの寿命レベルを向上させることができる。また、マグネシウムの含有量を５０重量％以下とすることにより、耐電流性能の低下を防止することができる。

金属化フィルムを製造する蒸着装置にあっては、巻き出しロールから繰り出された未蒸着のポリプロピレンフィルムが大径円筒状の冷却キャンに案内されて通過するときに、その下方にあるアルミニウムの蒸着源から蒸発されるアルミニウムの微粒子がフィルム幅方向一端部の絶縁マージン領域１ｄ，２ｄを除いてほぼ全幅にわたってポリプロピレンフィルム上に冷却付着される。引き続いて冷却キャンの回転方向下手側にある亜鉛・マグネシウムの混合蒸着源から蒸発される亜鉛・マグネシウムの微粒子が絶縁マージン領域１ｄ，２ｄとは反対側のフィルム幅方向端部の狭い領域においてポリプロピレンフィルム上のアルミニウム蒸着金属１ｂ，２ｂの上に冷却付着され、低抵抗部１ｃ，２ｃを形成する。

亜鉛・マグネシウムの混合蒸着源は、亜鉛の蒸着源とマグネシウムの蒸着源とを分離することなく単一の蒸着源としたものである。

冷却キャンを通過して巻き取りロールに巻き取られ、金属化フィルムが作製される。第１の金属化フィルム１と第２の金属化フィルム２とでは亜鉛・マグネシウムの微粒子からなる低抵抗部１ｃ，２ｃの位置がフィルム幅方向で互いに反対側とされる。

そして、第１の金属化フィルム１と第２の金属化フィルム２とを重ね合わせた状態で巻回し、得られた巻回体の軸方向の一端および他端にそれぞれ陽極側および陰極側の電極引出し部３Ａ，３Ｂを接続してコンデンサ素子４を作製する。さらに、コンデンサ素子４の陽極側および陰極側の各電極引出し部３Ａ，３Ｂにそれぞれ極性を対応させて陽極側および陰極側の外部引き出し端子５Ａ，５Ｂを接続し、金属化フィルムコンデンサを得る。

以上のように、亜鉛の蒸着源とマグネシウムの蒸着源とを分離することなく単一の蒸着源である亜鉛・マグネシウムの混合蒸着源としたので、両蒸着源を別個に配置するものに比べて製造設備の規模（コスト、設置スペース）の縮小化を図ることができる。

加えて、亜鉛の蒸着源とマグネシウムの蒸着源とを共有一体化してあるので、蒸着源の熱影響によるポリプロピレンフィルム等の誘電体フィルムの熱ダメージが軽減される（フィルムの劣化抑制）。誘電体フィルムに対する熱ダメージの抑制は、比較的熱に弱い誘電体フィルムに対する信頼性の向上に寄与する。

また、低抵抗部を亜鉛・マグネシウムの混合蒸着層で形成することにより、低抵抗部と誘電体フィルムとの界面での空隙の発生ひいては空隙での部分放電が防止され、フィルム端部の集中破壊が確実に防止される。すなわち、金属化フィルムコンデンサの寿命延長に貢献することができる。

本実施例では、誘電体フィルムにポリプロピレンフィルムを用いたが、本発明はこれに限られるものではなく、ポリエチレンテレフタレートフィルム、ポリフェニレンスルフィドフィルム、ポリエチレンナフタレートフィルムなど公知のフィルムを用いることができる。

本発明は、金属化フィルムコンデンサに関して、誘電体フィルムに対する低抵抗部の密着性を向上させ、両者間での空隙の発生ひいては部分放電を防止し、誘電体フィルムの絶縁性能の低下を確実に防止する技術として有用である。また、蒸着源を簡素化し、製造設備を小規模化する技術として有用である。

１ 第１の金属化フィルム
２ 第２の金属化フィルム
１ａ，２ａ ポリプロピレンフィルム（誘電体フィルム）
１ｂ，２ｂ アルミニウムを主成分とする蒸着電極
１ｃ，２ｃ 低抵抗部（亜鉛とマグネシウムと亜鉛とを含有する蒸着金属）
３Ａ 陽極側の電極引出し部
３Ｂ 陰極側の電極引出し部
４ コンデンサ素子
５Ａ 陽極側の外部引き出し端子
５Ｂ 陰極側の外部引き出し端子

Claims (2)

1. 誘電体フィルムの表面にアルミニウムを主成分とする金属微粒子を蒸着して蒸着電極を形成し、前記蒸着電極の幅方向の一方端の表面に蒸着膜厚を厚くして抵抗値を低くした低抵抗部を形成して第１および第２の金属化フィルムを作製する工程と、
   得られた前記第１および第２の金属化フィルム各々の前記低抵抗部の前記幅方向における位置関係を互いに反対側とする状態で、これら第１の金属化フィルムと第２の金属化フィルムとを重ね合わせて巻回する工程と、
   得られた巻回体の軸方向の一端および他端にそれぞれ陽極側および陰極側の電極引出し部を接続してコンデンサ素子を作製する工程と、
   前記コンデンサ素子の前記陽極側および陰極側の各電極引出し部にそれぞれ極性を対応させて陽極側および陰極側の外部引き出し端子を接続する工程と
   を備えた金属化フィルムコンデンサの製造方法であって、
   前記蒸着電極および低抵抗部を形成する工程は、
   前記アルミニウムを主成分とする金属蒸着源から蒸発される金属微粒子を前記誘電体フィルムに付着させる第１の工程と、
   亜鉛とマグネシウムの混合蒸着源から蒸発される亜鉛・マグネシウムの微粒子を、前記アルミニウムを主成分とする蒸着電極の幅方向の一方端の表面に付着させて前記第１および第２の金属化フィルムにおける前記各低抵抗部を亜鉛とマグネシウムの混合蒸着層で形成する第２の工程と
   を有することを特徴とする金属化フィルムコンデンサの製造方法。
2. 前記第２の工程において、前記低抵抗部を構成する亜鉛とマグネシウムとの蒸着金属中のマグネシウムの含有量が１０〜５０重量％に設定されている請求項１に記載の金属化フィルムコンデンサの製造方法。

Images