JP2010219184A - 金属化ポリプロピレンフィルムとその製造方法およびそれを用いたフィルムコンデンサ - Google Patents

Abstract

【課題】ポリプロピレンフィルムの幅方向に複数の単位コンデンサが直列に繋がるように、ポリプロピレンフィルムの両面に電極となる金属薄膜を蒸着により形成した両面金属化ポリプロピレンフィルムをフィルムコンデンサに用いた場合に、金属薄膜と外部電極との接続が不安定となり、誘電正接とそれに関わる耐電流性等の特性を損ねていた。
【解決手段】両面金属化ポリプロピレンフィルムの表面への金属薄膜の形成時に、一方の面に設けられた、外部電極と接続される第一の金属薄膜を先に形成し、その後に他方の面に第二の金属薄膜を形成することにより、引き出し電極と外部電極との接続を安定させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気機器、電子機器等に搭載されるフィルムコンデンサ、及びそのコンデンサに用いられる金属化ポリプロピレンフィルムとその製造方法に関するものである。

フィルムコンデンサは、誘電体にポリエチレンテレフタレートやポリプロピレン等の高分子フィルムを用い、この高分子フィルムの表面にアルミニウム等の金属薄膜の電極を形成した金属化フィルムを積層或いは巻回し更に外部電極を形成してコンデンサ素子とし、このコンデンサ素子を樹脂で外装したもの、或いは樹脂製の容器に入れコンデンサ素子と容器の隙間に樹脂を充填したものである。

その中でも、高電圧、大電流が必要な電気機器、電子機器等には、図１１に示すような金属薄膜５１ａと金属薄膜５０ａとからなる電極で誘電体であるポリプロピレンフィルム５３を挟み、金属薄膜５１ａが設けられた面の中央にマージン５１ｂを作ることによって一つのコンデンサ素子の中で単位コンデンサを直列に接続し、耐電圧性能を向上させたフィルムコンデンサが多く使われている。

そのような中で、近年ＴＶの薄型化等に対応するために市場要望として小型化が求められている。そのためには、誘電体フィルムの厚みを薄くすれば同じ静電容量を維持しつつ体積を減少させ小型化することができる。ところがコンデンサ素子が小さくなることにより、熱容量も小さくなり電流が流れる際の発熱が大きくなるという問題がある。したがって耐大電流と小型化を両立させることは困難であった。

これを解決するためには、金属薄膜よりなる電極の抵抗を低くして素子内部の発熱量を極力抑制する構造が望ましく、図１２に示すようなポリプロピレンフィルムの表面に設けられた金属薄膜７０ａと金属薄膜７２ａとを背中合わせにする形態が提案されている。これによって金属薄膜の厚みが約２倍となり電極の抵抗を低くすることが出来、コンデンサ素子の発熱量を抑えることが可能となり、その結果所望の耐電流性を維持しつつ小型化を実現することができるというものである。

尚、本出願の発明に関連する先行技術文献としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開２００４−８７６５３号公報

しかしながら、図１２に示すような金属化ポリプロピレンフィルムの金属薄膜７０ａと金属薄膜７２ａとを合わせる形態をとるにはポリプロピレンフィルムの両面に金属薄膜を形成することが必要となる。ところが、真空蒸着法でポリプロピレンフィルムの両面に金属薄膜を形成した場合、ポリプロピレンフィルムはフィルムコンデンサの誘電体として用いられる高分子フィルムの中でも特に耐熱性能が低く、両面への金属薄膜形成時に蒸発源からの輻射熱や金属の蒸発潜熱によりポリプロピレンフィルムが収縮を起こし、形成した金属薄膜とポリプロピレンフィルムとの間に応力が発生し、金属薄膜とフィルムとの接着力の低下や、金属薄膜にクラックが入る等、引き出し電極となる金属薄膜７１ａと外部電極８４との接続が不安定となり、特性（主に誘電正接と、それに関する電流等の性能）に悪影響を与えるという課題を有していた。

本発明は、上記従来の問題点を解決するものであり、金属薄膜とポリプロピレンフィルムとの接着力の低下を抑えた両面金属化ポリプロピレンフィルムを提供することと、この両面金属化ポリプロピレンフィルムを用いることにより、特性の安定した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。

上記目的を達成するために本発明は、ポリプロピレンフィルムの一方の面に第一の金属薄膜を備え、他方の面に第二の金属薄膜を備え、第一の金属薄膜は、金属薄膜の無い第一のマージンによりポリプロピレンフィルムの幅方向に分割され、第二の金属薄膜は、ポリプロピレンフィルムの幅方向の両端部の第二のマージン部を除いて設けられた金属化フィルムにおいて、第一の金属薄膜と第二の金属薄膜とが真空蒸着法により形成され、第一の金属薄膜を形成した後に、第二の金属薄膜を形成するという構成を有する。

本発明によれば、ポリプロピレンフィルムの両面に金属薄膜を形成する場合に、先にポリプロピレンフィルムの一方の面に外部への引き出し電極となる金属薄膜を形成し、その後に他方の面に対向電極となる金属薄膜を形成することにより、外部電極と接続する部分の金属薄膜のポリプロピレンフィルムへの機械的接着力が高い金属化ポリプロピレンフィルムが得られる。

そして、この両面金属化ポリプロピレンフィルムをフィルムコンデンサに使用すれば、電極引き出し部の金属薄膜と外部電極との接続が安定し、誘電正接の値を低い水準で安定させることができるものである。

また、誘電正接の値を低い水準で安定させることにより、大きな電流を通電した場合においても、フィルムコンデンサの自己温度上昇が抑えられ、より許容電流の高いフィルムコンデンサを提供することができるものである。

更にパルス的な電流が瞬時に流れた場合でも、電極引き出し部の金属薄膜と外部電極との接続が不安定になりにくく、高いパルス電流値を通電できるフィルムコンデンサを提供することができるものである。

以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明におけるポリプロピレンフィルムに金属薄膜を形成する真空蒸着装置を示す図、図２は真空蒸着装置で金属薄膜を形成した幅広の両面金属化ポリプロピレンフィルムの幅方向の断面図、図３は、図２に示す幅広の両面金属化ポリプロピレンフィルムをフィルムコンデンサに使用する幅にスリットした断面図である。

本実施の形態の両面金属化ポリプロピレンフィルムは以下のように作製する。

図１において、真空蒸着装置２１は、巻き出し部２７、巻き取り部２８、一次蒸着ロール２５、二次蒸着ロール２６、二つのマージンオイル塗布部２９ａ、２９ｂ、二つの蒸発源２４ａ、２４ｂ、ポリプロピレンフィルム３３の走行を支持する複数のロールで構成され、真空状態に保たれている。そしてポリプロピレンフィルム３３は、巻き出し部２７から巻き取り部２８へ走行する過程で、第一の金属薄膜３１ａ、第一のマージン３１ｂ、第二の金属薄膜３２ａおよびマージン３２ｃが形成される。

詳しく説明すると、幅が５００ｍｍ〜７００ｍｍの幅広で長さが数千〜数万ｍの、ロール状に巻き取られたポリプロピレンフィルム原反２２を巻き出し部２７に取り付け、この巻き出し部２７からポリプロピレンフィルム３３を巻き出す。

次にマージンオイル塗布部２９ａでポリプロピレンフィルム３３の一方の面３５に、幅方向に所定の間隔で長手方向に帯状のマージンオイルの薄膜を塗布する。

一次蒸着ロール２５は、表面の周速がポリプロピレンフィルム３３の走行速度と略同じ速度で回転し、その中に冷媒を通して表面の温度を０〜２０℃に保っており、ポリプロピレンフィルム３３はこの一次蒸着ロール２５に密着しながら走行する。

蒸発源２４ａからは、誘導加熱、抵抗加熱、或いは電子線照射加熱によって、金属薄膜となる金属材料（本実施の形態ではアルミニウム）が蒸発し、一次蒸着ロール２５上のポリプロピレンフィルム３３の一方の面３５に第一の金属薄膜３１ａを形成する。この時マージンオイルを塗布した部分には第一の金属薄膜３１ａが形成されないので、幅方向に所定の間隔で長手方向に帯状の第一の金属薄膜３１ａの存在しない第一のマージン３１ｂが形成される。

次に、一方の面３５に第一の金属薄膜３１ａと第一のマージン３１ｂを形成したポリプロピレンフィルム３３の他方の面３６に、マージンオイル塗布部２９ｂで幅方向に所定の間隔で長手方向に帯状のマージンオイルの薄膜を塗布する。

二次蒸着ロール２６も一次蒸着ロール２５と同様に、表面の周速がポリプロピレンフィルム３３の走行速度と略同じ速度で回転し、表面の温度を０〜２０℃に保っており、ポリプロピレンフィルム３３は他方の面３６を外面にして二次蒸着ロール２６に密着しながら走行する。

そして、蒸発源２４ｂから蒸発した金属が付着して二次蒸着ロール２６上のポリプロピレンフィルム３３の他方の面３６に付着して第二の金属薄膜３２ａを形成する。この時マージンオイルを塗布した部分には第二の金属薄膜３２ａが形成されないので、幅方向に所定の間隔で長手方向に帯状の第二の金属薄膜３２ａの存在しないマージン３２ｃが形成される。

最後に、両面に金属薄膜が形成されたポリプロピレンフィルム３３を巻き取り部２８で巻き取り、図２に示すような断面構造の幅広の両面金属化ポリプロピレンフィルム３４を得る。

尚、第一のマージン３１ｂ、マージン３２ｃの形成には本実施の形態のマージンオイルを塗布する方法の他に、テープ状の遮蔽物を用いる方法も採用できる。

上記のように本実施の形態では、一つの真空蒸着装置２１内で、ポリプロピレンフィルムが巻き出し部２７から巻き取り部２８へ走行する過程で、連続して第一の金属薄膜３１ａと第二の金属薄膜３２ａを形成することにした。こうすれば、巻き出したポリプロピレンフィルム３３の一方の面３５に第一の金属薄膜３１ａを形成して一旦巻き取り、再度巻き出して他方の面３６に第二の金属薄膜３２ａを形成し巻き取る場合に比べて、ポリプロピレンフィルム３３の巻き出しと巻き取りを繰り返すことによる塵埃のかみ込みの危険性を低減し、ポリプロピレンフィルム３３の耐電圧性能の低下を軽減することができる。

次に図２に示す、ポリプロピレンフィルム３３の一方の面３５に第一の金属薄膜３１ａと第一のマージン３１ｂとを、他方の面３６に第二の金属薄膜３２ａとマージン３２ｃとを形成した幅広の両面金属化ポリプロピレンフィルム３４を、フィルムコンデンサ一つ分の幅とするために、マージン３２ｃの略中心（図２の符号Ｄで示す部分）をポリプロピレンフィルム３３の長手方向にスリットする。これによって図３に示すように、マージン３２ｃは幅方向に２分割されて、夫々ポリプロピレンフィルム３３の幅方向の両端部の第二のマージン３２ｂとなり、第一の金属薄膜３１ａは第一のマージン３１ｂを挟んでポリプロピレンフィルム３３の両側に存在する構成の両面金属化ポリプロピレンフィルム３１となる。

また、マージン３２ｃを一つ置きにその略中心を長手方向にスリットすれば、図４に示すように、第一の金属薄膜３１ａが形成されたポリプロピレンフィルム３３の一方の面３５には第一のマージン３１ｂが２つとなり、第二の金属薄膜３２ａが形成された他方の面３６には、両端部の第二のマージン３２ｂの間に第一のマージン３１ｂより１本少ない１つの第三のマージン３２ｄが存在する構成となる。

このように、第一のマージン３１ｂの数が複数となるようにし、第二のマージン３２ｂの間に設ける第三のマージン３２ｄの数を第一のマージン３１ｂの数より一つ少ない数にすることによって、コンデンサ素子内で直列に接続される、ポリプロピレンフィルム３３を第一の金属薄膜３１ａと第二の金属薄膜３２ａとで挟んで構成する単位コンデンサの数を増やすことができる。このようにすればより高い使用電圧に対応するためのフィルムコンデンサに使用することもできる。

尚、上記の順番で第一の金属薄膜３１ａと第二の金属薄膜３２ａとを形成するのは以下の理由によるものである。

ポリプロピレンフィルム等の高分子フィルムの表面に、真空蒸着法によって金属薄膜を形成してフィルムコンデンサ用の金属化フィルムを作製する場合、通常、蒸着ロールに高分子フィルムを密着させて冷却することにより、熱による高分子フィルムの収縮等のダメージを抑えているが、本発明者は、高分子フィルムの両面にマージンと共に金属薄膜を形成する場合に、先に金属薄膜を形成した面の金属薄膜が形成されていないマージン部分は、後の裏面への金属薄膜の形成時に蒸着ロールへの高分子フィルムの密着性が悪く、このマージン部分の高分子フィルムの冷却が不十分になり、特に耐熱性の低いポリプロピレンフィルムの場合、金属薄膜のポリプロピレンフィルムへの接着力が弱くなることを見出した。

したがって本発明の、外部電極と接続される引き出し電極となる第一の金属薄膜３１ａを第一のマージン３１ｂと共に先に形成し、その後に第二の金属薄膜３２ａを形成すれば、引き出し電極となる第一の金属薄膜３１ａの外部電極と接続される部分は、その形成時に熱ダメージが抑えられるので、ポリプロピレンフィルム３３との接着力が弱くならず、その結果、このような両面金属化ポリプロピレンフィルムをフィルムコンデンサに用いた場合、第一の金属薄膜３１ａと外部電極との接続を安定した状態とすることが出来るものである。

次に上述の両面金属化ポリプロピレンフィルム３１を用いて作製したフィルムコンデンサについて説明する。

図５は両面金属化ポリプロピレンフィルム３１の巻回状態を示す斜視図、図６は図５に示す面Ｅで切断した本発明における両面金属化ポリプロピレンフィルム３１の巻回状態を示す断面図、図７はコンデンサ素子の構成を示す幅方向の一部拡大断面図、図８はコンデンサ素子の斜視図、図９はフィルムコンデンサの斜視図である。

図６に示すように前述の手順で作製した両面金属化ポリプロピレンフィルム３１と、片側の表面のみに電極となるアルミニウムの金属薄膜３０ａを蒸着により形成した片面金属化ポリプロピレンフィルム３０とを、両面金属化ポリプロピレンフィルム３１の第二の金属薄膜３２ａと片面金属化ポリプロピレンフィルム３０の金属薄膜３０ａとが接するように重ね合わせた状態で巻回する。

この時片面金属化ポリプロピレンフィルム３０は両面金属化ポリプロピレンフィルム３１よりも、長手方向に直交する幅方向（図５のＡ方向で、図７では左右方向）を若干（本実施の形態では約１ｍｍ）狭くスリットし、両面金属化ポリプロピレンフィルム３１と片面金属化ポリプロピレンフィルム３０とを夫々の長手方向に直交する幅方向の略中心を合わせるように巻回する。

このようにすると図７に示すように、巻回後の巻回体１２の一方の端面では、両面金属化ポリプロピレンフィルム３１の一方の端面が片面金属化ポリプロピレンフィルム３０の一方の端面より外側に突出し、同様に巻回体１２の他方の端面（図示せず）でも、両面金属化ポリプロピレンフィルム３１の他方の端面が片面金属化ポリプロピレンフィルム３０の他方の端面より外側に突出し、この両面金属化ポリプロピレンフィルム３１の突出した部分において、第一の金属薄膜３１ａが金属化フィルム３０の存在による隙間３２から露出した状態となる。

そして、図７、図８に示すように巻回体１２の両端面に亜鉛、錫、銅を含む複数成分製の金属を溶射し、第一の金属薄膜３１ａに接続する外部電極１４を形成する。更にこの一対の外部電極１４にリード線１５を溶接してコンデンサ素子１３とし、図９に示すようにコンデンサ素子１３全体を外装樹脂１６で外装し、フィルムコンデンサ１１とする。

以上のような構成の、両面金属化ポリプロピレンフィルム３１（金属薄膜の単位面積当たりの抵抗値が２Ω／□）を使用した、定格電圧ＤＣ８００Ｖ、定格容量０．０１μＦのフィルムコンデンサ１００個の、１００ｋＨｚでの誘電正接を測定した。その結果を図１０に示す。

図１０において、本実施の形態のフィルムコンデンサの誘電正接（図中符号Ａ）は平均で０．０３０％、標準偏差が０．００１％という結果になっている。そして比較として作製した、本実施の形態と金属薄膜の形成順が逆の、すなわちポリプロピレンフィルムの幅方向の両端部にマージンを有する金属薄膜を先に形成し、その後にマージンにより幅方向に分割して形成された金属薄膜を形成した両面金属化ポリプロピレンフィルムを使用したフィルムコンデンサの誘電正接（図中符号Ｂ）は、平均で０．０３４％、標準偏差が０．００５％という結果となっている。

このように、本発明により外部電極と接続する部分の金属薄膜のポリプロピレンフィルムとの接着力が高い両面金属化ポリプロピレンフィルムが得られる。そしてこの両面金属化ポリプロピレンフィルムをフィルムコンデンサに使用すれば、誘電正接を低い水準で安定させることができる。

またこの結果はフィルムコンデンサに電流を流した場合、素子の自己温度上昇値は誘電正接の値に比例することから、本発明のフィルムコンデンサの自己温度上昇値が比較のフィルムコンデンサの８８％（０．０３０÷０．０３４）に減少することを意味し、これによっても小型化したフィルムコンデンサの温度上昇を抑えることができる。

本発明の金属化ポリプロピレンフィルムとその製造方法、およびそれを用いたフィルムコンデンサは、様々な電子機器、電気機器の小型化、性能向上に有用である。

本発明の一実施形態にかかる真空蒸着装置を示す図 本発明の一実施形態にかかる幅広の両面金属化ポリプロピレンフィルムの構成を示す幅方向の断面図 本発明の一実施形態にかかる両面金属化ポリプロピレンフィルムの構成を示す幅方向の断面図 本発明の一実施形態にかかる両面金属化ポリプロピレンフィルムの構成を示す幅方向の断面図 本発明の一実施形態にかかる両面金属化ポリプロピレンフィルムの巻回状態を示す斜視図 本発明の一実施形態にかかる両面金属化ポリプロピレンフィルムの巻回状態を示す断面図 本発明の一実施形態にかかるコンデンサ素子の構成を示す幅方向の一部拡大断面図 本発明の一実施形態にかかるコンデンサ素子の斜視図 本発明の一実施形態にかかるフィルムコンデンサの斜視図 本発明の一実施形態にかかるフィルムコンデンサの誘電正接の分布を示すグラフ 従来のフィルムコンデンサの構造を示す幅方向の断面図 従来のフィルムコンデンサの構造を示す幅方向の断面図

１１ フィルムコンデンサ
１２ 巻回体
１３ コンデンサ素子
１４ 外部電極
１５ リード線
１６ 外装樹脂
２１ 真空蒸着装置
２２ ポリプロピレンフィルム原反
２４ａ、２４ｂ 蒸発源
２５ 一次蒸着ロール
２６ 二次蒸着ロール
２７ 巻き出し部
２８ 巻き取り部
２９ａ、２９ｂ マージンオイル塗布部
３０ 片面金属化ポリプロピレンフィルム
３１ 両面金属化ポリプロピレンフィルム
３１ａ 第一の金属薄膜
３１ｂ 第一のマージン
３２ａ 第二の金属薄膜
３２ｂ 第二のマージン
３２ｃ マージン
３２ｄ 第三のマージン
３３ ポリプロピレンフィルム
３４ 幅広の両面金属化ポリプロピレンフィルム
３５ 一方の面
３６ 他方の面

Claims (5)

1. ポリプロピレンフィルムの一方の面に第一の金属薄膜を備え、他方の面に第二の金属薄膜を備え、前記第一の金属薄膜は、金属薄膜の無い第一のマージンにより前記ポリプロピレンフィルムの幅方向に分割され、前記第二の金属薄膜は、前記ポリプロピレンフィルムの幅方向の両端部の第二のマージン部を除いて設けられた金属化フィルムにおいて、前記第一の金属薄膜と前記第二の金属薄膜とが真空蒸着法により形成され、前記第一の金属薄膜を形成した後に、前記第二の金属薄膜を形成したことを特徴とする金属化ポリプロピレンフィルム。
2. 前記第一のマージンが複数設けられ、前記第二のマージンの間に前記第一のマージンより１本少ない数の第三のマージンが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の金属化ポリプロピレンフィルム。
3. 請求項１または２に記載のいずれか一つに記載の金属化ポリプロピレンフィルムを用いたことを特徴とするフィルムコンデンサ。
4. ポリプロピレンフィルムの一方の面に第一の金属薄膜を備え、他方の面に第二の金属薄膜を備え、前記第一の金属薄膜は、前記金属薄膜の無い第一のマージンにより前記ポリプロピレンフィルムの幅方向に分割され、前記第二の金属薄膜は、前記ポリプロピレンフィルムの幅方向の両端部の第二のマージン部を除いて設けられた金属化フィルムの、前記第一の金属薄膜と前記第二の金属薄膜とを真空蒸着法により形成し、前記第一の金属薄膜を形成した後に、前記第二の金属薄膜を形成することを特徴とする金属化ポリプロピレンフィルムの製造方法。
5. 前記第一のマージンが複数設けられ、前記第二の金属薄膜が設けられた前記ポリプロピレンフィルムの他方の面には、前記第二のマージンの間に前記第一のマージンより１本少ない数の第三のマージンが設けられていることを特徴とする請求項４に記載の金属化ポリプロピレンフィルムの製造方法。

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