JP2011086740A - 金属化フィルムコンデンサの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の製造システムでは巻回して扁平に成型する時に加圧歪みが生じ、耐電圧の低下を生じるため、フィルムの薄膜化に限界がある。ＰＰフィルムの薄膜化は２．５μｍが限界と言われている。また、２枚の薄膜蒸着フィルを巻回するためには、高精度の巻取機が必要で、その設備投資は膨大である。
【解決手段】広幅ＰＰフィルムの両面に金属を両面蒸着して、この蒸着フィルム面上に有機化合物からな誘電体をコーティングし架橋（硬化）させ、蒸着フィルムと有機化合物の薄膜ハイブリッド金属化フィルムを形成する。この薄膜ハイブリッド金属化フィルムを広幅の状態で積層し、所定の寸法に切断し素子を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、各種電子機器、電気機器、産業機器、自動車等に使用され、特に、ハイブリッド自動車のモータ駆動用インバータ回路の平滑用、フィルタ用、スナバ用に最適な金属化フィルムコンデンサの製造方法に関するものである。

近年、環境保護の観点から、あらゆる電気機器がインバータ回路で制御され、省エネルギー化、高効率化が進められている。中でも自動車業界においては、電気モータとエンジンで走行するハイブリッド車（以下、ＨＥＶと呼ぶ）が市場導入される等、地球環境に優しく、省エネルギー化、高効率化に関する技術の開発が活発化している。

このようなＨＥＶ用の電気モータは使用電圧領域が数百ボルトと高いため、このような電気モータに関連して使用されるコンデンサとして、高耐電圧で低損失の電気特性を有する金属化フィルムコンデンサが注目されており、更に市場におけるメンテナンスフリー化の要望からも極めて寿命が長い金属化フィルムコンデンサを採用する傾向が目立っている。

そして、このような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、金属蒸着電極と呼ぶ）とする金属化フィルムコンデンサは、金属箔のものに比べて電極の占める体積が小さく小形軽量化が図れることと、金属蒸着電極特有の自己回復機能（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金属蒸着電極が蒸発・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、市場におけるメンテナンスフリー化の要望からも極めて寿命が長い金属化フィルムコンデンサを採用する傾向が目立っている。

この種の従来の金属化フィルムコンデンサは、一般に図５に示すように広幅の誘電体フィルムの片面に金属を蒸着することにより金属蒸着電極が形成された金属化フィルム巻回母体１０１を形成し、この巻回母体１０１をスリッターにより所要幅に切断して金属化フィルム１０２を形成し、一対の金属化フィルム１０２ａ、１０２ｂを図示しない巻き取り機により巻回して１個の巻取素子１０３を形成し、これを必要に応じてプレスなど行って金属化フィルムコンデンサ１０４を製造するようにしている。この製造工法による生産に当たっては、効率的な生産を行うため通常蒸着機１台に対して、所要幅に切断するスリット機３台、所定の静電容量に巻き取る巻き取り機６台等の対応設備を要していた。

また、アルミ電解コンデンサに比べ材料の特性上、同一容量を得るには、形状も大きくなって高価とならざるを得なかった。特に自動車用においては小形軽量化が求められ、使用する誘電体フィルムの薄膜化が必須となってきており、これまでに金属化フィルムコンデンサの薄膜化による耐電圧の向上に関しては、いくつかの提案がなされている。例えば上記誘電体フィルムを薄膜化して小形・軽量化を図るなどの対策が行われていた。（特許文献１）

特開２００６−２６９７２７号公報

上記一般的なフィルムコンデンサの製造方法においては、蒸着機一台に対して、スリット機３台、巻き取り機６台等の対応設備が必要であり、膨大な設備投資を必要とし、信頼性、安全性の高いフィルムコンデンサの実用化を遅らせていた。

また、フィルムコンデンサの小形・軽量化を図るためにプラスチックフィルムを薄膜化して小形・軽量化を図るものにあっては、耐電圧性能も低下するため、薄膜化と同時に耐電圧の向上が必要であり、そのために、フィルム表面粗さを平坦化させ、耐電圧性能低下の主原因であるフィルムの凹部を無くすことで耐電圧を向上させている。

しかしながら、フィルムの薄膜化は巻き取り条件に大きく影響を及ぼし、フィルムの表面粗さ特性は生産工数に大きく影響を与えるものであった。即ち、表面粗さが粗面化過ぎると、巻回時にフィルム走行が安定せず、精度良く巻回できない。一方、表面粗さが平坦化過ぎると、素子成形の歪みにより、耐圧低下、保安性の悪化を引き起こす課題を有するものであった。そのため、ポリプロピレンフィルム（以下ＰＰフィルムという）の薄膜化は２．５μｍ厚みが限界と言われている。

本発明の金属化フィルムコンデンサの製造方法は、 広幅両面蒸着ＰＰフィルムの両面または片面に誘電体をコーティングする工程と、上記両面または片面に誘電体をコーティングした広幅両面蒸着ＰＰフィルムにエレクトロンビームまたは紫外線照射で架橋（硬化）させたハイブリット誘電体を設けた広幅ハイブリット金属化フィルムを形成する工程と、上記広幅ハイブリット金属化フィルムの積層切断面を予めレーザーでマージンを形成する工程と、上記マージンを形成された広幅ハイブリット金属化フィルムを積み重ね積層板を形成する工程と、上記積層板を所定の寸法に切断して素子を形成する工程とを有することを主要な特徴とする。

第２に、上記広幅両面蒸着ＰＰフィルムの厚みは１．０〜２．５μｍであって、その片面に誘電体をコーティングする場合には、同誘電体の厚みが１．０〜２．５μｍであることを特徴とする。

第３に、上記広幅両面蒸着ＰＰフィルムの厚みは１．０〜２．５μｍであって、その両面に誘電体をコーティングする場合には、同誘電体の厚みが０．５〜１．２５μｍであることを特徴とする。

本発明の金属化フィルムコンデンサの製造方法においては、フィルムの薄膜化による耐電圧確保策として、広幅ＰＰフィルムの両面にアルミニュウム金属等を真空蒸着し、この蒸着フィルム上に誘電体をコーティングし、金属化ＰＰフィルムと誘電体のいわゆるハイブリット誘電体膜を形成する。これにより、フィルム材料として弱点部になるフィルム表面の凹凸を極小にすることで耐電圧を向上させ、フィルムコンデンサの小形・軽量が可能となる。このハイブリット誘電体膜を広幅の状態で積層し所望される静電容量値に応じて所定の形状に切断加工し、コンデンサ素子を得ることで従来工法で用いられるスリット機の不要化、巻き取り機の集約化で、設備投資が抑えられ、１個当たりのコンデンサの低コストが可能となる。またハイブリット誘電体膜を形成する工法により１枚巻製造システムの採用可能となり、従来工法で用いるスリット機の不要化、巻取機の集約化より設備投資が大幅に改善される。

また、誘電体の厚みを、片面の場合には１．０〜２．５μｍに、両面の場合には０．５〜１．２５μｍにすることにより、ＰＰフィルムの厚さを従来３．０μｍ以上としないと所定耐圧の平滑用フィルムコンデンサを得ることができなかったが、１．０〜２．５μｍの極薄膜化することが可能となり、平滑用フィルムコンデンサの大幅な小型軽量化することができる。

本発明の平滑用フィルムコンデンサの積層板を製造するまでの工程を示す工程図（実施例１） 本発明の平滑用フィルムコンデンサの積層板を製造するまでの他の工程を示す工程図（（実施例２） 図１又は図２で製造された積層板をカットし平滑用フィルムコンデンサを得る工程を示す工程図 本発明の効果を示す直流電圧破壊レベルの概念図 従来の平滑用フィルムコンデンサの製造方法を示す概念図

以下、本発明の実施の形態を図１から図４に基づいて詳細に説明する。

図１中、巻回された両面蒸着ＰＰフィルム１は、誘電体液槽５、誘電体液１３、誘電体汲み上げロール（以下アプリケーションロールという）４、グラビアロール３、余分な誘電体液を掻き落とすスキージ１２、フィルムに誘電体液を転写させる為のバックアップロール２からなる誘電体コーティング工程Ｃに供給され、誘電体液を架橋（硬化）させるエレクトロンビーム（以下ＥＢ照射装置という）６からなる硬化工程Ｄ、片面ハイブリット誘電体Ｆａの長さ方向に一定の幅でマージン用の絶縁部を形成するＹＡＧレーザー装置７からなるマージン形成工程Ｍ、片面ハイブリット誘電体Ｆａをカットするフィルムカッター８、フィルムカット時に片面ハイブリット誘電体Ｆａを保持するハンド９、ハイブリット誘電体Ｆａを積層する積層機１１積層板を作る加圧プレート１０、から構成する切断積層工程Ｓを通る。

具体的には、予め真空蒸着装置で蒸着された両面蒸着ＰＰフィルム１を引き出し、誘電体液層５からアプリケーションロール４により誘電体液１３をグラビアロール３に汲み上げ、グラビアロール３とバックアップロール２に挟持された両面蒸着ＰＰフィルム１の表面に転写しＥＢ照射装置６によって誘電体塗膜を架橋（硬化）させ片面ハイブリット誘電体Ｆａを作る。ハイブリット誘電体をＹＡＧレーザー７によって決められた長さ毎、一定の幅に蒸着金属を飛ばし、絶縁部を設け、ハンド９で保持して、積層機に運びフィルムカッター８でカットし積み重ね加圧プレート１０によって押圧し、これを繰り返し所定の積層数を構成する。

そして、図３示すように仮固定された広幅積層板２１を絶縁部２１ａに沿ってスリット刃２２を用いて分割を行い広幅から個別の積層体（スリット条という）スリット条２２ａに分け、メタリコン用溶射冶具にセットし、枠締めを行い、スリット面に金属溶射により、外部電極を構成し長尺のコンデンサ条２３ａを作成する。

その後熱処理を行い、コンデンサ条２３ａをフライス刃２３で切断を行ない、目的とするコンデンサ素子２４を作る。
なお、積層板２１は目的とする静電容量に応じてその厚みを調整される。

上記図１に示す平滑用フィルムコンデンサの積層板を製造工程図においては、両面蒸着ＰＰフィルム１の表面に誘電体をコーティングするようにしたが、例えば図２に示すように、実施例１同様に予め真空蒸着装置で蒸着された両面蒸着ＰＰフィルム１を引き出し、第１誘電体コーティング工程Ｃ１にて誘電体液層５ａからアプリケーションロール４ａにより誘電体液１３ａをグラビアロール３ａに汲み上げ、グラビアロール３ａとバックアップロール２ａに挟持された両面蒸着フィルム１の表面に転写する。そして、第１硬化工程Ｄ１のＥＢ照射装置６ａによって誘電体塗膜を架橋（硬化）させ片面ハイブリット誘電体Ｆａを造る。しかる後、第２誘電体コーティング工程Ｃ２にて片面ハイブリット誘電体Ｆａを誘電体液層５ｂからアプリケーションロール４ｂにより誘電体液１３ｂをグラビアロール３ｂに汲み上げ、グラビアロール３ｂとバックアップロール２ｂに挟持された片面ハイブリット誘電体Ｆａの裏面に転写する。更に、第２硬化工程Ｄ２のＥＢ照射装置６ｂによって誘電体塗膜を架橋（硬化）させ両面ハイブリット誘電体Ｆｂを造る。以降マージン形成工程Ｍ及び切断積層工程Ｓは上記実施例同様に行い積層板を構成する。

本発明に成る両面蒸着ＰＰフィルム上の片面に誘電体をコーティングした場合および両面蒸着フィルム上の両面に誘電体をコーティングした場合および従来工法であるコーティング無しの場合について直流破壊電圧値を求めることで耐電圧性能を調べた。

図４は直流電圧破壊レベルの比較を示す。従来工法では両面蒸着ＰＰフィルム厚みが３．０μｍ（従来１）を用いた場合は市場要求耐電圧レベルを満足出来るに対し、両面蒸着ＰＰフィルムを２．５μｍ（従来２）にすると両面蒸着ＰＰフィルムの薄化に応じて直流破壊電圧レベルが下がり、市場要求レベルを満足出来なくなる。これに対し、実施例１に示すように厚み２．５μｍの両面蒸着ＰＰフィルム上に片面２．５μｍ厚みの誘電体をコーティングすると直流破壊電圧レベルが上がり、市場要求耐電圧レベルを満足でき、また従来工法での両面蒸着ＰＰフィルム厚み３．０μｍを用いた場合よりも直流破壊電圧レベルが向上することが分かる。厚み２．５μｍの両面蒸着ＰＰフィルムを用い、片面２．０μｍ厚みの誘電体をコーティングした場合（実施例２）、片面コーディング薄化の分、直流破壊電圧レベルがわずかに下がるものの市場要求耐電圧レベルを満足できることが分かる。また、厚み２．５μｍの両面蒸着ＰＰフィルムを用い、片面１．０μｍ厚みの誘電体を両面にコーティングした場合（実施例３）の直流破壊電圧が、片面コーティングした場合より若干向上する。
このことから耐電圧性能を向上させるには、フィルム層間に空間を発生させないこと、そして誘電体の表面粗さを平坦化すること、すなわち両面蒸着ＰＰフィルムの片面または両面に誘電体をコーティングすることにより、耐電圧性能低下の要因であるフィルム層間の空間発生抑制同じく耐電圧性能低下の要因であるフィルム厚さのムラを極小にすることで直流電圧破壊レベルが向上できると言える。直流破壊電圧平均値の上昇と特に直流破壊電圧分布がシャープになっていることからもコーティングの効果が確認できる。誘電体の厚みを、片面の場合には１．０〜２．５μｍに、両面の場合には０．５〜１．２５μｍにすることにより、ＰＰフィルムの厚さを従来３．０μｍ以上としないと所定耐圧の平滑用フィルムコンデンサを得ることができなかったが、１．０〜２．５μｍの極薄膜化することが可能となり、平滑用フィルムコンデンサの大幅な小形軽量化することができる。

本発明は、ハイブリッド自動車のモータ駆動用インバータ回路用の平滑コンデンサのほか、各種電子機器、電気機器、産業機器等の平滑用、フィルタ用、スナバ用に最適な金属化フィルムコンデンサ全般に適用できるものである。

１ 両面蒸着ＰＰフィルム
２、２ａ、２ｂ バックアップロール
３、３ａ、３ｂ グラビアロール
４、４ａ、４ｂ アプリケーションロール
５、５ａ、５ｂ 誘電体液槽
６、６ａ、６ｂ ＥＢ照射装置
７ ＹＡＧレーザー
８ フィルムカッター
９ ハンド
１０ 加圧プレート
１１ 積層機
１２、１２ａ、１２ｂ スキージ
１３、１３ａ、１３ｂ 誘電体液
１４ 冷却装置
２１ 広幅積層板
２１ａ 絶縁部
２２ スリット刃
２２ａ スリット条
２３ フライス刃
２３ａ コンデンサ条
２４ コンデンサ
Ｆａ 片面ハイブリット誘電体
Ｆｂ 両面ハイブリット誘電体
Ｃ、Ｃ１、Ｃ２ 誘電体コーティング工程
Ｄ、Ｄ１、Ｄ２ 架橋（硬化）工程
Ｍ マージン形成工程
Ｓ 切断積層工程

Claims (3)

1. 広幅両面蒸着ＰＰフィルムの両面または片面に誘電体をコーティングする工程と、上記両面または片面に誘電体をコーティングした広幅両面蒸着ＰＰフィルムにエレクトロンビームまたは紫外線照射で架橋させたハイブリット誘電体を設けた広幅ハイブリット金属化フィルムを形成する工程と、上記広幅ハイブリット金属化フィルムの積層切断面を予めレーザーでマージンを形成する工程と、上記マージンを形成された広幅ハイブリット金属化フィルムを積み重ね積層板を形成する工程と、上記積層板を所定の寸法に切断して素子を形成する工程、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. 上記広幅両面蒸着ＰＰフィルムの厚みは１．０〜２．５μｍであって、その片面に誘電体をコーティングする場合には、同誘電体の厚みが１．０〜２．５μｍであ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の製造方法。
3. 上記広幅両面蒸着ＰＰフィルムの厚みは１．０〜２．５μｍであって、その両面に誘電体をコーティングする場合には、同誘電体の厚みが０．５〜１．２５μｍであ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の製造方法。