(57)【要約】【課題】誘電体フィルムの表面に金属を蒸着させて金属蒸着電極を形成した金属化フィルムコンデンサにおいて、当該フィルムコンデンサを簡便に設計することができるフィルムコンデンサの設計方法を提供する。【解決手段】誘電体フィルム１の両面１Ａ、１Ｂに金属蒸着電極２、３が配置され、誘電体フィルム１の上面１Ａ側に配置された金属蒸着電極２が絶縁部４によって複数の区画電極２ａ、２ｂに分画され、隣接する区画電極２ａ、２ｂ同士がヒューズ部５を介して接続されているフィルムコンデンサ１０の設計方法であって、ヒューズ部５の抵抗値Rfと、誘電体フィルム１の絶縁破壊部位の抵抗値RFと、ヒューズ部５の体積抵抗率ρと、ヒューズ部５の蒸散エネルギEmetalと、コンデンサ素子の作動電圧Vと、ヒューズ部５の作動時間tと、ヒューズ部５の区画電極方向の長さLを用いてフィルムコンデンサ１０を設計する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体フィルムの両面に金属蒸着電極が配置され、前記金属蒸着電極の少なくとも一方が絶縁部によって複数の区画電極に分画されるとともに、該複数の区画電極のうち隣接する区画電極同士がヒューズ部を介して接続されているフィルムコンデンサの設計方法であって、
ヒューズ部の抵抗値Rfと、誘電体フィルムの絶縁破壊部位の抵抗値RFと、ヒューズ部の体積抵抗率ρと、ヒューズ部の蒸散エネルギEmetalと、コンデンサ素子の作動電圧Vと、ヒューズ部の作動時間tと、ヒューズ部の区画電極方向の長さLが、
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なる関係を有するようにフィルムコンデンサを設計する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はフィルムコンデンサの設計方法に関し、特にヒューズ部を備えた金属化フィルムコンデンサの設計方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、充放電用や直流フィルタ用などで使用される高圧コンデンサには、絶縁紙やプラスチックフィルム等からなる誘電体とアルミニウム箔等からなる電極箔を交互に重ね合わせて巻回した金属箔電極型コンデンサが適用されてきた。
【０００３】
しかしながら、上記する金属箔電極型コンデンサにおいては、一般に設定電位傾度が130V/μm程度と低いため、その適用範囲が限定されてしまうといった問題があった。
【０００４】
このような問題に対して、近年、金属箔電極に代えて誘電体フィルムの表面にアルミニウム等の金属を蒸着した金属蒸着フィルム（「メタライズドフィルム（metalized film）」や「金属化フィルム」ともいう。）を用いた金属蒸着電極型コンデンサ（「メタライズドフィルムコンデンサ（metalized film capacitor）」や「金属化フィルムコンデンサ」ともいう。）の開発が進められている。
【０００５】
図５で示すように、上記する金属蒸着電極型コンデンサＡは、厚さ数μm〜数十μm程度の誘電体フィルムＢ、Ｃの表面に蒸着やスパッタリング等により金属を蒸着させて膜状の金属蒸着電極Ｄ、Ｅを形成し、この金属蒸着電極Ｄ、Ｅを絶縁欠陥部（金属蒸着膜が形成されていない部分）Ｆ、Ｇで複数の区画電極Ｄａ〜Ｄｃ、Ｅａ〜Ｅｃに分画し、分画された区画電極同士を幅を狭くした電流通路（ヒューズ部）Ｈ、Ｉで接続したものである。そして、片面に金属蒸着電極Ｄ、Ｅを有する金属化フィルム同士を重ね合わせて巻回し、その巻回端面に金属を溶射して電極引出部Ｊ、Ｋを形成したものである。なお、金属蒸着電極を有する金属化フィルムを巻回する際には、片面に金属蒸着電極を有する２枚の金属化フィルムと２枚の絶縁フィルムを交互に重ね合わせて巻回する、あるいは、両面に金属蒸着電極を有する金属化フィルムを作製し、当該金属化フィルムと絶縁フィルムを重ね合わせて巻回することができる。
【０００６】
上記する金属蒸着電極型コンデンサによれば、異常電圧の発生等に起因して絶縁破壊が生じて過電流が流れた際に、過電流が流れた区画電極を繋ぐ絶縁欠陥部周辺のヒューズ部が瞬時的な短絡によるエネルギで蒸発・飛散（「溶断」ともいう。）し、その区画電極がコンデンサの機能部分から切り離される。これにより、切り離された区画電極に相当する電極面積が減少して静電容量が減少するものの、絶縁が維持されてコンデンサの機能が回復し、この自己回復作用によって絶縁破壊に対する信頼性が向上することから、たとえば180V/μm程度の高電位傾度の設定が可能となる。
【０００７】
ところで、上記する金属蒸着電極型コンデンサにおいては、区画電極を繋ぐヒューズ部の幅が小さくなると、ヒューズの作動は敏感になるものの、使用中の静電容量は減少する。一方で、ヒューズ部の幅が大きくなると、使用中の静電容量の減少は抑制されるものの、ヒューズの作動は鈍感になる。また、過電流によって発生するジュール熱は電流の二乗と抵抗の積算値に関係することから、ヒューズ部の抵抗値を大きくすると、ヒューズの作動は敏感になるものの、発熱量が増加して基材フィルムへの伝熱量は増加する。
【０００８】
このように、金属蒸着電極型コンデンサの区画電極を接続するヒューズ部は当該コンデンサの性能に大きく寄与することから、誘電体フィルムに形成された金属蒸着パターンに応じたヒューズ部の設定（たとえば、ヒューズ部の幅や長さ等の寸法やヒューズ部の抵抗値、ヒューズ部を流れる電流などの設定）が不可欠であり、そのような金属蒸着パターンに応じたヒューズ部の各種設定に関する技術が特許文献１〜５に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平１１−１４４９９５号公報
【特許文献２】特開平１０−２０８９７４号公報
【特許文献３】特開平９−２７０３５９号公報
【特許文献４】特開平８−０１７６７２号公報
【特許文献５】特開２０００−１１４０８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、特許文献１〜５に開示されている金属蒸着電極型コンデンサにおいては、区画電極を繋ぐヒューズ部を設定するに当たり、様々な形態のヒューズ部のコンデンサを用意し、その金属蒸着パターンや誘電体と蒸着金属の組成などに応じた開発試験を実施し、その結果として当該コンデンサに適合したヒューズ部が設定されたと考えられる。
【００１１】
したがって、たとえばコンデンサの金属蒸着パターンや誘電体や蒸着金属の組成などを変更した場合には、その変更後のコンデンサに対して更なる開発試験が必要となり、開発工数や開発費用が増大して製造コストが高騰すると共に、そのコンデンサの開発期間が長期化するといった問題がある。
【００１２】
本発明は上記する課題に鑑みてなされたものであり、誘電体フィルムの表面に金属を蒸着させて金属蒸着電極を形成した金属化フィルムコンデンサにおいて、当該フィルムコンデンサを簡便に設計することができるフィルムコンデンサの設計方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記目的を達成すべく、本発明者等は、誘電体フィルムの両面に金属蒸着電極が配置され、前記金属蒸着電極の少なくとも一方が絶縁部によって複数の区画電極に分画されるとともに、該複数の区画電極のうち隣接する区画電極同士がヒューズ部を介して接続されているフィルムコンデンサについて、ヒューズ部に流れる電流が絶縁破壊時の誘電体フィルムの抵抗値とヒューズ部の抵抗値に依存することに着目し、様々な蒸着パターン等に対応し得る論理的な回路モデルを構築することで、当該フィルムコンデンサを簡便に設計し得ることを見出した。
【００１４】
すなわち、本発明によるフィルムコンデンサの設計方法は、誘電体フィルムの両面に金属蒸着電極が配置され、前記金属蒸着電極の少なくとも一方が絶縁部によって複数の区画電極に分画されるとともに、該複数の区画電極のうち隣接する区画電極同士がヒューズ部を介して接続されているフィルムコンデンサの設計方法であって、ヒューズ部の抵抗値Rfと、誘電体フィルムの絶縁破壊部位の抵抗値RFと、ヒューズ部の体積抵抗率ρと、ヒューズ部の蒸散エネルギEmetalと、コンデンサ素子の作動電圧Vと、ヒューズ部の作動時間tと、ヒューズ部の区画電極方向の長さLを用いてフィルムコンデンサを設計する方法である。
【００１５】
ここで、本発明の設定方法が適用されるフィルムコンデンサを構成する誘電体フィルムの形成素材としては、紙、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、ポリプロピレン、ポリフェニレンサルファイト、ポリイミド、ポリイミドアミドなどを挙げることができる。
【００１６】
また、誘電体フィルムに蒸着される蒸着金属としては、アルミニウム（Al）、亜鉛（Zn）、銅（Cu）、鉄（Fe）、ニッケル（Ni）、クロム（Cr）などの金属、あるいはこれらの合金などを挙げることができる。
【００１７】
上記する方法によれば、誘電体フィルムの表面に金属を蒸着させて金属蒸着電極を形成した金属化フィルムコンデンサ（金属蒸着電極型コンデンサ）において、ヒューズ部の抵抗値Rfや誘電体フィルムの絶縁破壊部位の抵抗値RFやヒューズ部の体積抵抗率ρやヒューズ部の蒸散エネルギEmetal等といったフィルムコンデンサを構成する誘電体フィルムやヒューズ部に固有の特性値を用いると共に、コンデンサ素子の作動電圧Vやヒューズ部の作動時間tやヒューズ部の区画電極方向の長さL等といった設計者が任意に設定可能な設計値を用いることによって、絶縁破壊に対する信頼性を有するフィルムコンデンサを簡便に設計することができる。その際、コンデンサ素子の作動電圧Vやヒューズ部の作動時間tやヒューズ部の区画電極方向の長さL等については設計者が任意に設定可能であるため、設計者が所望する性能を有するフィルムコンデンサを設計することができる。これにより、開発試験などに要する開発工数や開発費用を大幅に削減して製造コストを抑制することができ、所望の蒸着パターンを有するフィルムコンデンサを短期間で開発することができる。
【発明の効果】
【００１８】
以上の説明から理解できるように、本発明のフィルムコンデンサの設計方法によれば、フィルムコンデンサを設計するに当たり、当該フィルムコンデンサを構成する誘電体フィルムやヒューズ部に固有の特性値を用いると共に、設計者が任意に設定可能な設計値を用いることで、絶縁破壊に対する信頼性が高く、所望の性能を有するフィルムコンデンサを簡便に設計することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明のフィルムコンデンサの設計方法が適用されるフィルムコンデンサの一部を拡大して示した一部拡大図である。
【図２】図１で示すフィルムコンデンサを回路モデルでモデル化した図である。
【図３】図１で示すフィルムコンデンサのフューズ部の定義を説明した図である。
【図４】実施例１、２と比較例１、２の試料における誘電体フィルムの絶縁破壊部位の抵抗値とヒューズ部の抵抗値と絶縁破壊時にヒューズ部が適正に溶断されると判断される領域の関係を示した図である。
【図５】従来の金属蒸着電極型コンデンサの一例を示した斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。なお、本実施の形態においては、誘電体フィルムの両面に配置された金属蒸着電極のうち、その片面側に配置された金属蒸着電極にヒューズ部が設けられた形態について説明するが、誘電体フィルムの両面に配置された金属蒸着電極面の双方がヒューズ部を備える場合にも、本実施の形態のフィルムコンデンサの設計方法を適用することができる。
【００２１】
図１は、本発明のフィルムコンデンサの設計方法が適用されるフィルムコンデンサ１０の一部、より具体的にはフィルムコンデンサ１０を構成する金属化フィルム９の一部を取り出して示した一部拡大図である。
【００２２】
図示するフィルムコンデンサ１０は、たとえば金属化フィルム９の巻回状態において、厚さ数μｍ〜数１０μｍ程度の誘電体フィルム１の両面１Ａ、１Ｂに金属蒸着電極２、３が配置されており、誘電体フィルム１の上面１Ａ側の金属蒸着電極２は金属蒸着膜が形成されていない絶縁部４によって複数の区画電極２ａ、２ｂに分画され、この隣接する区画電極２ａ、２ｂが略矩形状のヒューズ部５を介して接続されている。なお、ヒューズ部５は、金属蒸着電極２と一体に形成してもよいし、金属蒸着電極２と別体に形成してもよい。
【００２３】
ここで、誘電体フィルム１の絶縁破壊時には、誘電体フィルム１の上面１Ａ側のヒューズ部５を通って区画電極２ｂから区画電極２ａへ流れた（Ｘ１方向）電流が、誘電体フィルム１を通って誘電体フィルム１の下面１Ｂ側の金属蒸着電極３へ流れ（Ｘ２方向）、その電流が金属蒸着電極３の内部を流れていく（Ｘ３方向）。このような短絡電流に起因するエネルギによって区画電極２ａ、２ｂを接続するヒューズ部５が溶断され、区画電極２ａがコンデンサ１０の機能部分から切り離されることによって、絶縁が維持されてコンデンサ１０の機能が回復する。
【００２４】
[フィルムコンデンサの設計方法]
以下、誘電体フィルム１の絶縁破壊時にヒューズ部５が適正に溶断されるフィルムコンデンサ１０の設計方法について具体的に説明する。
【００２５】
まず、誘電体フィルム１の絶縁破壊時にヒューズ部５で発生するエネルギEin[J]は、その絶縁破壊時にヒューズ部５にかかる電圧値Vf[V]と、ヒューズ部５に流れる電流値I[A]と、ヒューズ部５に電流が流れる時間t[s]と、ヒューズ部５の抵抗値Rf[Ω]を用いて、以下の式（１）により算出される。なお、ヒューズ部５に流れる電流値Iとヒューズ部５にかかる電圧値Vfとヒューズ部５の抵抗値Rfの間には、I=Vf/Rfの関係が成立している。
【００２６】
【数１】
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【００２７】
ここで、誘電体フィルム１の絶縁破壊時の短絡電流（図１参照）は、図２で示すヒューズ部の抵抗と誘電体フィルムの絶縁破壊部位の抵抗の直流回路モデルから算出することができると共に、絶縁破壊時にヒューズ部５に流れる電流（短絡電流と同じ）が誘電体フィルム１へ流れ込むことを想定すると、絶縁破壊時にヒューズ部５にかかる電圧値Vf[V]とヒューズ部５の抵抗値Rf[Ω]を用いて算出される電流値と、コンデンサ素子の作動電圧（絶縁破壊持の電圧）V[V]とヒューズ部５の抵抗値Rf[Ω]と誘電体フィルム１の絶縁破壊部位の抵抗値RF[Ω]を用いて算出される電流値（図２参照）は同値となるため、以下の式（２）で示す関係が成立する。
【００２８】
【数２】
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【００２９】
したがって、式（１）で示す誘電体フィルム１の絶縁破壊時にヒューズ部５で発生するエネルギEin[J]は、式（２）を用いて以下の式（３）により算出されることとなる。
【００３０】
【数３】
2013219216.tif 000005
【００３１】
次いで、ヒューズ部（金属蒸着膜）５の溶断（蒸散）に必要なエネルギEout[J]は、ヒューズ部５の単位面積当たりの蒸散エネルギEmetal[J/m3]と、ヒューズ部５の厚みd[m]と、ヒューズ部５の区画電極方向と直交する方向の幅w[m]と、ヒューズ部５の区画電極方向の長さL[m]（図３参照）を用いて、以下の式（４）により算出される。
【００３２】
【数４】
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【００３３】
ここで、ヒューズ部５の抵抗値Rf[Ω]は、ヒューズ部５の体積抵抗率ρ[Ω・m]を用いて、以下の式（５）により算出される。なお、ヒューズ部５が金属蒸着膜から構成される場合には上記するヒューズ部５の体積抵抗率ρは金属蒸着電極２の体積抵抗率と同値となる。
【００３４】
【数５】
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【００３５】
したがって、式（４）で示すヒューズ部５の溶断（蒸散）に必要なエネルギEout[J]は、式（５）を用いて以下の式（６）により算出されることとなる。
【００３６】
【数６】
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【００３７】
誘電体フィルム１の絶縁破壊時にヒューズ部５が適正に溶断されるためには、式（３）により算出されたヒューズ部５で発生するエネルギEin[J]が、式（６）により算出されたヒューズ部５の溶断に必要なエネルギEout[J]以上であればよいため、以下の式（７）で示す関係が成立すればよい。
【００３８】
【数７】
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【００３９】
そして、式（７）で示す不等式を従来知られた手法により簡略化すると、以下の式（８）で示す関係が算出されることとなる。なお、式（８）の算出に当たり、(V2・t)が(Emetal・ρ・L2)以上なる関係を前提としている。
【００４０】
【数８】
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【００４１】
なお、上記する式（８）は、以下の式（９）で表記することもできる。
【００４２】
【数９】
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【００４３】
これにより、たとえば設計者がヒューズ部５の区画電極方向の長さLを設計したい場合には、誘電体フィルム１やヒューズ部５に固有の特性値であるヒューズ部５の抵抗値Rfや誘電体フィルム１の絶縁破壊部位の抵抗値RFやヒューズ部５の体積抵抗率ρやヒューズ部５の蒸散エネルギEmetalと共に、設定したいコンデンサ素子の作動電圧Vや作動させたいヒューズ部５の作動時間tを上記する式（８）もしくは式（９）に適用することによって、ヒューズ部５の長さLの上限値を規定することができる。
【００４４】
このように、上記するフィルムコンデンサの設計方法によれば、ヒューズ部５の抵抗値Rfや誘電体フィルム１の絶縁破壊部位の抵抗値RFやヒューズ部５の体積抵抗率ρやヒューズ部５の蒸散エネルギEmetalといったフィルムコンデンサ１０を構成する誘電体フィルム１やヒューズ部５に固有の特性値と共に、コンデンサ素子の作動電圧Vやヒューズ部５の作動時間tやヒューズ部５の区画電極方向の長さLといった設計者が任意に設定可能な設計値を用いることによって、設計者は、絶縁破壊に対する信頼性が高く且つ所望の性能を有するフィルムコンデンサ１０を簡便に設計することができる。
【００４５】
［検査用試料によるフィルムコンデンサのヒューズ部の作動率を測定した実験とその結果］
本発明者等は、素材の異なる２種類の誘電体フィルム（第１の誘電体フィルムと第２の誘電体フィルム）を用意し、それぞれの誘電体フィルムに対して誘電体フィルムの絶縁破壊部位の抵抗値RF[Ω]とヒューズ部の抵抗値Rf[Ω]の異なる２種類（計４種類）の検査用試料（実施例１、２、比較例１、２）を作製し、それぞれの試料に対してヒューズ部の作動率測定を実施した。なお、ヒューズ部の作動率の測定方法は、実施例１、２と比較例１、２の試料をそれぞれ複数作製し、所定の過電流を通電した後に10mAよりも小さい電流が流れた試料（ヒューズ部が溶断した）の割合を測定した。すなわち、所定の過電流を通電した後に10mA以上の電流が流れ続けた試料をヒューズ部が正常に作動しなかったものと判定した。
【００４６】
ここで、実施例１、２と比較例１、２の試料におけるヒューズ部の体積抵抗率ρは5×10-5[Ω・m]、ヒューズ部の単位面積当たりの蒸散エネルギEmetalは5×104[J/cm3]、コンデンサ素子の作動電圧（絶縁破壊持の電圧）Vは300[V]、ヒューズ部の作動時間tは1×10-3[s]、ヒューズ部の区画電極方向の長さLは100[μm]であった。
【００４７】
表１は、第１の誘電体フィルムを用いた実施例１と比較例１および第２の誘電体フィルムを用いた実施例２と比較例２の誘電体フィルムの絶縁破壊部位の抵抗値RF[Ω]とヒューズ部の抵抗値Rf[Ω]、ヒューズ部の作動率[%]の測定結果、および上記する式（８）との関係を示したものである。また、図４は、実施例１、２と比較例１、２の試料の誘電体フィルムの絶縁破壊部位の抵抗値RF[Ω]とヒューズ部の抵抗値Rf[Ω]、および上記する式（８）で示す関係が成立する領域（絶縁破壊時にヒューズ部が適正に溶断されると判断される領域）との関係を示したものである。なお、図４中の斜線領域が式（８）で示す関係が成立する領域を表している。
【００４８】
【表１】
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【００４９】
表１および図５で示すように、実施例１と比較例１のヒューズ部の抵抗値の差、実施例２と比較例２のヒューズ部の抵抗値の差は、いずれも極めて小さいものの、式（８）で示す関係が成立する特性値を有する実施例１と実施例２の試料ではヒューズ部の作動率がそれぞれ95%、98%であり、式（８）で示す関係が成立しない特性値の比較例１と比較例２の試料ではヒューズ部の作動率がそれぞれ9%、13%であった。
【００５０】
この実験結果より、上記する式（８）や式（９）で示す関係を有するようにフィルムコンデンサを設計することよって、絶縁破壊時にフィルムコンデンサのヒューズ部が適正に溶断される可能性が極めて高く、当該ヒューズ部が適正に作動されてフィルムコンデンサの自己回復機能が正常に機能されることが実証された。
【００５１】
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【符号の説明】
【００５２】
１…誘電体フィルム、２、３…金属蒸着電極、２ａ、２ｂ…区画電極、４…絶縁部、５…ヒューズ部、９…金属化フィルム、１０…フィルムコンデンサ、Emetal…ヒューズ部の蒸散エネルギ、L…ヒューズ部の区画電極方向の長さ、t…ヒューズ部の作動時間、Rf…ヒューズ部の抵抗値、RF…誘電体フィルムの絶縁破壊部位の抵抗値、V…コンデンサ素子の作動電圧、ρ…ヒューズ部の体積抵抗率
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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