JP2014203943A - 金属化フィルムコンデンサ - Google Patents

Abstract

【課題】ハイブリッド自動車等に使用される金属化フィルムコンデンサの信頼性の向上を目的とする。
【解決手段】本発明の金属化フィルムコンデンサ１は、対向する二極の金属蒸着電極と、これら金属蒸着電極の間に介在する誘電体フィルムとで形成されたコンデンサ素子２と、このコンデンサ素子２の両端面に設けられた一対のメタリコン電極３と、これらメタリコン電極３に接続され、コンデンサ素子２を外部と電気的に接続する引出端子４とを備え、メタリコン電極３は亜鉛を溶射することで形成され、引出端子４は銅にて形成され、メタリコン電極３と引出端子４は、間にアルミニウム箔５を介在させた状態で超音波接合を行うことで接合された構成となっている。この構成により本発明の金属化フィルムコンデンサ１は、超音波接合によるメタリコン電極３と引出端子４の接合強度を向上させることができ、信頼性の高いものとなっている。
【選択図】図２

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、スナバ用に最適なフィルムコンデンサ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。

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。

このＨＥＶ用として用いられる金属化フィルムコンデンサは、金属化フィルムコンデンサの中でもコンデンサ容量が大きく、比較的大型の形状をなしている。これにともなってコンデンサ素子両端面のメタリコン電極に接合される引出端子も大きな電流容量が必要となり、例えば銅で形成された板状のバスバーなど比較的大型のものが用いられる。このような比較的大型な引出端子とメタリコン電極との接合には、一般に抵抗溶接よりもハンダ付けによる接合が適している。

しかしながら、引出端子が大型で熱容量が大きいため、ハンダ付け接合を行うためには、引出端子に高温のハンダゴテを長時間あてる必要がある。そして、このハンダゴテの熱がコンデンサ素子に伝わってしまうことがあった。コンデンサ素子には誘電体フィルムとして例えばポリプロピレンフィルムなどが用いられるが、このポリプロピレンフィルムは熱に対する耐性がさほど強くなく、ハンダ付け接合のための熱が伝わるとポリプロピレンフィルムが収縮したり、あるいは変性したりすることがある。このような状態のままのポリプロピレンフィルムを用いて金属化フィルムコンデンサを作製すると、そのコンデンサ特性が著しく低下してしまうことが考えられる。

このようなハンダ付け接合に纏わる課題の解決策として、特許文献１の金属化フィルムコンデンサ１０１では以下のような対策がなされていた。この特許文献１に記載の対策について図３を用いて説明する。図３は、特許文献１に記載の金属化フィルムコンデンサ１０１の構成を示す図である。

図３に示すように、特許文献１に記載の金属化フィルムコンデンサ１０１は、コンデンサ素子１０２と、その両端面に形成されたメタリコン電極１０３に接合された引出端子であるバスバー１０４にて構成され、特にそのバスバー１０４の形状に特徴がある。すなわち、バスバー１０４のメタリコン電極１０３との接合部側の端部には凸部１０５が形成されている。そして、この凸部１０５に図３の丸印で囲まれたハンダ付け範囲でハンダ付け接合を行うことで、熱容量の大きなバスバー１０４をコンデンサ素子１０２への熱ダメージが少ない状態で接合することを可能としている。

しかしながら、この特許文献１に記載の技術においても、ハンダゴテにてハンダを溶融させる温度まで凸部１０５を加熱するのにある程度の時間がかかるため、少なからずコンデンサ素子１０２に熱が伝わってしまい、ハンダ付け接合に纏わる課題の抜本的な解決には至っていない。

ここで、ハンダ付け接合以外の接合方法としては超音波による接合が考えられる。超音波接合とは接合対象である引出端子をメタリコン電極に加圧しながら押し当て、さらに超音波によって振動させることによって瞬時に溶融させ、接合させる方法である。この超音波接合によると、熱が発生するものの、溶接時間が極めて短いため、ハンダ付け接合と比較してコンデンサ素子に与える熱ダメージを少なくすることができる。

この超音波による接合方法は過去から存在し、例えば特許文献２に金属化フィルムコンデンサの引出端子と端面電極の接合に適用させた技術が記載されている。

特開２００４−３４９４４７号公報 特開昭６１−３２５０８号公報

確かに、超音波による接合はコンデンサ素子に与える熱ダメージを極めて少なくすることができるものであった。

しかしながら、実際に超音波による接合を金属化フィルムコンデンサの引出端子とメタリコン電極に用いた例は少なく、現状として実用化には至っていないと言わざるを得ない。

これは、超音波による接合ではハンダ付けによる接合に比べその接合力が弱く、実使用時に剥離してしまう虞があるためと推測される。特に、上記のようなＨＥＶ用として用いられる金属化フィルムコンデンサは、高温多湿かつ強度の振動および衝撃が加えられる極めて過酷な外部環境に曝されるため、引出端子とメタリコン電極が強固に接合されていることが必須となる。

このような背景から、本発明者らは超音波接合を用いた金属化フィルムコンデンサのＨＥＶ用としての採用を目指して研究に取り組み、鋭意検討の結果、金属化フィルムコンデンサにおける新規の構成を見出した。

すなわち、本発明は、従来の超音波接合が有する課題を解決し、金属化フィルムコンデンサの引出端子とメタリコン電極を強固に接合し、ＨＥＶ用として用いられることが可能な信頼性の高い金属化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。

上記課題を解決するために本発明の金属化フィルムコンデンサは、対向する二極の金属蒸着電極と、これら金属蒸着電極の間に介在する誘電体フィルムとで形成されたコンデンサ素子と、このコンデンサ素子の両端面に設けられた一対のメタリコン電極と、これらメタリコン電極に接続され、前記コンデンサ素子を外部と電気的に接続する引出端子とを備え、前記メタリコン電極は亜鉛を溶射することで形成され、前記引出端子は銅にて形成され、前記メタリコン電極と前記引出端子は、間にアルミニウム箔を介在させた状態で超音波接合を行うことで接合された構成となっている。

この構成により、金属化フィルムコンデンサの引出端子とメタリコン電極を強固に接合し、信頼性の高い金属化フィルムコンデンサを提供することができる。

これは、引出端子とメタリコン電極とをアルミニウム箔をその間に介在させた状態で超音波接合にて接合させたことによる。

この結果、従来接合力が弱く実使用時に剥離などの課題が生じていた銅にて形成された引出端子と亜鉛にて形成されたメタリコン電極の接合強度を向上させることができ、信頼性の高い金属化フィルムコンデンサを提供することができる。

実施の形態１の金属化フィルムコンデンサのコンデンサ素子の構成を示す斜視図 実施の形態１の金属化フィルムコンデンサの断面図 従来の金属化フィルムコンデンサの斜視図

（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は本実施の形態の金属化フィルムコンデンサ１に用いるコンデンサ素子２の構成を示す斜視図、図２は本実施の形態の金属化フィルムコンデンサ１の構成を示す断面図である。

本実施の形態に用いられるコンデンサ素子２は、図１に示すように扁平型の形状を有している。この扁平型のコンデンサ素子２は、誘電体フィルムの片面または両面に金属蒸着電極を形成した金属化フィルムを一対とし、金属蒸着電極が誘電体フィルムを介して対向する状態で巻回して形成した巻回体を鉛直上下方向から押圧することで形成される。

本実施の形態のコンデンサ素子２においては、誘電体フィルムとしてポリプロピレンフィルムを用いているが、ポリプロピレンフィルム以外にもポリエチレンテレフタレートフィルムやポリエチレンナフタレートフィルム等を用いてもよい。

また、本実施の形態のコンデンサ素子２においては、アルミニウムを蒸着して金属蒸着電極を形成しているが、これ以外にも銅、亜鉛、マグネシウム等の金属や、あるいはこれらの合金を蒸着して形成してもよい。

さらに、本実施の形態のコンデンサ素子２の形状は上述したように巻回体を押圧して形成したため扁平型となっているが、押圧せずに断面円形の巻回体そのものをコンデンサ素子としてもよい。あるいは、金属化フィルムを積層して形成した断面四角形状のコンデンサ素子を用いてもよい。ただし、巻回体そのものをコンデンサ素子としたものよりも扁平型や断面四角形状の方がその側面が平面となり、所定の収納箇所への収納効率が優れている。特に、「背景技術」の項で説明したように本実施の形態の金属化フィルムコンデンサ１をＨＥＶ用として用いる場合は、その収納スペースが限られているため、扁平型や断面四角形状とすることが好ましい。

そして、本実施の形態のコンデンサ素子２には図１に示すように、その両端面にメタリコン電極３が形成されている。このメタリコン電極３は亜鉛を溶射することで形成されるため、多数の亜鉛の金属粒子どうしが溶着した状態となっており、その表面は粗く、細かい凹凸が存在した状態となっている。

このように両端面にメタリコン電極３が形成されたコンデンサ素子２にさらに引出端子４を超音波接合にて接合することで、図２に示すように本実施の形態の金属化フィルムコンデンサ１が作製される。特に、本実施の形態１の金属化フィルムコンデンサ１においてはメタリコン電極３と引出端子４の間にアルミニウム箔５を介在させた状態で超音波接合を行っている。

引出端子４は、コンデンサ素子２に形成されたメタリコン電極３を外部と電気的に接続させるための部材であり、本実施の形態の金属化フィルムコンデンサ１においては銅で形成された板状のバスバーを用いている。この引出端子４の厚さは超音波接合の可能な範囲の厚さであればよい。また、本実施の形態の金属化フィルムコンデンサ１では引出端子４として板状のバスバーを用いたが、これに限らず銅にて形成されたリード線を用いてもよい。

次に、本実施の形態の金属化フィルムコンデンサ１のポイントであるアルミニウム箔５について説明する。

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、メタリコン電極３と引出端子４の間にアルミニウム箔５が介在した状態となっており、上記超音波接合はこのようにメタリコン電極３と引出端子４の間にアルミニウム箔５を挟んだ状態で行われる。

本実施の形態においては、アルミニウム箔５として厚み５０μｍ、１５ｍｍ×２０ｍｍの矩形型の形状のものを用いた。なお、アルミニウム箔５は、その大きさ、形状が限定されたものではなく、超音波接合を行う範囲や、コンデンサ素子２の体格に合わせて適宜変更すればよい。

また、本実施の形態における金属化フィルムコンデンサ１の超音波接合の条件は、超音波の周波数が１．５以上２．５ｋＨｚ以下、負荷応力が０．１以上０．５ＭＰａ以下、振動幅が４５以上７５μｍ以下、超音波接合時間が０．５以上２．０ｓｅｃ以下である。なお、これらの条件のうち、超音波接合時間の長短が最もコンデンサ素子２への熱ダメージに影響する。そこで、超音波接合時間を変更した金属化フィルムコンデンサ１の試料を多数用意し、コンデンサ特性を評価した結果、金属化フィルムコンデンサ１のコンデンサ特性を実質的に損なわないためには、超音波接合時間を３．０ｓｅｃ以下と設定することが好ましいとの知見を得た。より好ましくは２．０ｓｅｃ以下である。

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ではアルミニウム箔５を介在させてメタリコン電極３と引出端子４を超音波接合にて接合したことにより、メタリコン電極３と引出端子４を強固に接合させることができる。これは以下の理由によるものと推測される。

まず、従来どおり、アルミニウム箔５を介在させずにメタリコン電極３と引出端子４を超音波接合にて接合させようとした場合、接合力が弱く、特に後述するようにヒートサイクル試験における接合力の低下が顕著に見られた。これはメタリコン電極３の表面が上述したように粗い状態となっており、凹凸が多数存在するため、メタリコン電極３の表面と引出端子４の表面とが実質的に接触している面積が小さいことに起因すると推測される。すなわち、超音波接合時の接合部材どうしの接触面積が乏しいため、超音波接合を行っても十分な接合力を確保できなかったと考えられる。

一方で、本実施の形態の金属化フィルムコンデンサ１のようにアルミニウム箔５を介在させた場合、まずアルミニウム箔５は表面が平坦となっているため、同様に平坦な表面を有する引出端子４と超音波接合時に十分な面積にて接触させ、接合させることができる。また、アルミニウム箔５とメタリコン電極３の接合に関しては、アルミニウム箔５は塑性変形し易いため、超音波接合時の振動により変形したアルミニウム箔５がメタリコン電極３の亜鉛の金属粒子間に入り込み、いわば金属粒子間の隙間が充填されたような状態で接合させることができる。この結果、本実施の形態の金属化フィルムコンデンサ１では十分な接合力にてメタリコン電極３と引出端子４を接合させることができると考えられる。

さらに、この理由に加え、これら本実施の形態の金属化フィルムコンデンサ１で用いたアルミニウム箔５がメタリコン電極３、引出端子４の間の熱膨張係数を有することも本発明の効果が得られる要因の一つであると推測される。

すなわち、従来のメタリコン電極３と引出端子４の接合ではこれらメタリコン電極３と引出端子４にそれぞれ用いた亜鉛と銅の熱膨張係数は、それぞれ３０．２（×１０^−６／Ｋ）と１６．５（×１０^−６／Ｋ）であり、少なからず乖離している。このため、外部から熱が与えられた際、それぞれの金属の熱膨張率の違いからメタリコン電極３と引出端子４の間に応力が発生し、この結果メタリコン電極３と引出端子４が剥離してしまうと考えられる。

一方で、アルミニウムの熱膨張係数は２３．１（×１０^−６／Ｋ）であり、亜鉛と銅のほぼ中間の値を有する。したがって、メタリコン電極３と引出端子４の熱膨張率の差を緩和し、外部から熱が与えられた際のメタリコン電極３と引出端子４の応力の発生を抑制することができる。そして、この結果、メタリコン電極３と引出端子４の剥離を抑制することができる。

以上に述べた理由により、本実施の形態の金属化フィルムコンデンサ１は十分な接合力にてメタリコン電極３と引出端子４を接合させることができるものと推測される。

なお、本実施の形態の金属化フィルムコンデンサ１によると、例えばハンダ付け接合にてメタリコン電極と引出端子を接合させた場合に比べて、誘電体フィルムへの熱ダメージが軽減されるばかりでなく、接合したハンダ材料の経時的な劣化への対策を講ずる必要もない。また、ハンダ材料を使用する必要もないため、コスト的なメリットも得られる。

次に、本実施の形態の金属化フィルムコンデンサ１の接合力について検証するために行ったヒートサイクル試験ならびにその結果について以下に説明する。

このヒートサイクル試験では、それぞれ１１５℃、−４０℃に内部を調整した２つの気槽を用意し、これら２つの気槽に１時間ずつ試料を入れる動作を１サイクルとして複数回繰り返し、サイクル数と試料の状態の関係を調査した。また、用意した試料の種類は、本実施の形態の金属化フィルムコンデンサ１および従来の金属化フィルムコンデンサ（すなわちメタリコン電極と引出端子とをアルミ箔を介さずに超音波接合にて接合したもの）の２種類であり、試料数はそれぞれの種類の金属化フィルムコンデンサに対し３０個である。

このような条件の下、ヒートサイクル試験を行い、まずはサイクル数が３００回の時点でそれぞれの金属化フィルムコンデンサの状態を確認した。確認の結果、それぞれ３０個の試料のうち、本実施の形態の金属化フィルムコンデンサ１では全ての試料に剥離は確認されなかったが、一方で従来の金属化フィルムコンデンサにおいては２２個の金属化フィルムコンデンサに剥離が確認され、メタリコン電極と引出端子が界面部分から剥がれ、分離した状態となっていた。

さらにヒートサイクル試験を続け、サイクル数が５００回の時点でそれぞれの金属化フィルムコンデンサの状態を確認した。確認の結果、それぞれ３０個の試料のうち、本実施の形態の金属化フィルムコンデンサ１では全ての試料に剥離は確認されなかった。一方で、従来の金属化フィルムコンデンサにおいては、６個の金属化フィルムコンデンサにおいてさらに剥離が確認され、したがって３０個の試料のうち２８個の試料が５００回以下のサイクル数で剥離が確認されたことになる。

これらの結果から、本実施の形態の金属化フィルムコンデンサ１の構成によると、従来の金属化フィルムコンデンサに比べ、メタリコン電極と引出端子の接合強度が大幅に改善されたことが明確に示された。

次に、５００回のサイクル経過後の本実施の形態の金属化フィルムコンデンサ１の試料に対して剥離強度の検証を試みた。この検証は、試料の引出端子４であるバスバーの平面部分にコンデンサ素子２側からプッシュプルゲージを垂直にあて、徐々に押圧してメタリコン電極３と引出端子４が剥離した時点での剥離強度（ｋｇｆ／ｃｍ^２）を測定するものである。

しかしながら、検証を行った全ての試料においてメタリコン電極３と引出端子４の界面部分では剥離せず、層状に積層されたメタリコン電極３部分が剥離するという結果となった。一般にメタリコン電極は金属を溶射して金属粒子を少しずつ積層させて形成するため、金属粒子が層状に積層された構造となっており、上記検証結果では、この積層された金属粒子の層間が剥離したものである。つまり、この結果は本実施の形態の金属化フィルムコンデンサ１のメタリコン電極３と引出端子４の接合強度がメタリコン電極３の層間の接合強度よりも強固であるということを示す。すなわち、この結果より本実施の形態の金属化フィルムコンデンサ１の構成によるとメタリコン電極３と引出端子４の接合強度が大幅に改善されていることは明らかである。なお、このようにメタリコン電極３と引出端子４の界面部分では剥離しなかったため、メタリコン電極３と引出端子４の剥離強度は測定できなかった。ただし、プッシュプルゲージにて測定された剥離強度、すなわちメタリコン電極３の層間の剥離強度の平均値は８９．４（ｋｇｆ／ｃｍ^２）であった。この値は、実使用を考慮したとき、ＨＥＶ用フィルムコンデンサとして十分に採用し得る値である。

次に、本実施の形態の金属化フィルムコンデンサ１の効果について述べる。

これまで説明したように、本実施の形態の金属化フィルムコンデンサ１では、その独特の構成によりメタリコン電極３と引出端子４とが強固に接合された構成となっている。特に、ヒートサイクル試験における接合力の低下に関しては、上記検証結果のとおり従来の構成に比べ飛躍的に改善されたものとなっている。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は、その設置場所により必然的に高温下の外部環境に曝されるＨＥＶ用として最適である。

また、引出端子４は板状のバスバーあるいは、接合部分を平板状に加工したリード線であることが望ましい。この構成とすることで、超音波接合時にアルミニウム箔５との接触面積を確保することができ、メタリコン電極３と引出端子４とを十分な接合力で接合させることができる。

また、アルミニウム箔５の厚みは３０μｍ以上７５μｍ以下とすることが望ましい。３０μｍよりも薄いアルミニウム箔にて超音波接合を行った場合は、アルミニウム箔が超音波接合のエネルギーに耐え切れず破損し、７５μｍよりも厚いアルミニウム箔にて超音波接合を行った場合は、超音波接合のエネルギー不足で接合強度が弱く、本発明の効果を得ることができなかったためである。

また、本実施の形態の金属化フィルムコンデンサ１は超音波接合を用いているため、通常のハンダ付け接合に比べ、メタリコン電極３と引出端子４を接合させる際にコンデンサ素子２を形成する誘電体フィルムに与える熱ダメージが比較的抑制された構成となっている。加えて、本実施の形態の金属化フィルムコンデンサ１ではアルミニウム箔５をメタリコン電極３と引出端子４の間に介在させていることにより、超音波接合のエネルギーが引出端子４からメタリコン電極３に向かって適度に緩和され、メタリコン電極３への過剰なエネルギーの供給を抑制できる。この結果、メタリコン電極３における熱の発生を抑制することができ、従来のようにメタリコン電極３と引出端子４を直接超音波接合にて接合させた構成に比べ、コンデンサ素子２に与える熱ダメージをさらに軽減することができる。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は、元来熱に対する耐性が低いポリプロピレンフィルムなどを誘電体フィルムに用いた場合に特に好ましい構成となっている。

なお、ハンダ付け接合によりメタリコン電極と引出端子を接合した金属化フィルムコンデンサは以前よりＨＥＶのモータ駆動用インバータ回路の平滑用、スナバ用、フィルタ用として用いられてきたが、一方で従来の超音波接合にてメタリコン電極と引出端子を接合した金属化フィルムコンデンサは「発明が解決しようとする課題」の項に示すとおり、その過酷な外部環境のためＨＥＶ用として採用された例は少ない。しかしながら、本実施の形態の金属化フィルムコンデンサ１は、上述の検証結果が示すとおり、従来の超音波接合を用いた金属化フィルムコンデンサに比べ、高温下における接合力の経時的な低下を大幅に改善したものであり、超音波接合を用いた金属化フィルムコンデンサのＨＥＶ用途としての採用に向けて大きく貢献するものである。

本発明による金属化フィルムコンデンサは、超音波接合による引出端子とメタリコン電極の接合強度を向上させることができ、信頼性の高いものとなっている。したがって、過酷な外部環境下で用いられ、特に高温下の状況で高い信頼性が強く要求されるハイブリッド車用のコンデンサとして好適に採用し得る。

１ 金属化フィルムコンデンサ
２ コンデンサ素子
３ メタリコン電極
４ 引出端子
５ アルミニウム箔

Claims (6)

1. 対向する二極の金属蒸着電極と、これら金属蒸着電極の間に介在する誘電体フィルムとで形成されたコンデンサ素子と、
   このコンデンサ素子の両端面に設けられた一対のメタリコン電極と、
   これらメタリコン電極に接続され、前記コンデンサ素子を外部と電気的に接続する引出端子とを備え、
   前記メタリコン電極と前記引出端子は、間にアルミニウム箔を介在させた状態で超音波接合を行うことで接合された金属化フィルムコンデンサ。
2. 前記メタリコン電極は亜鉛を溶射することで形成され、
   前記引出端子は銅にて形成された請求項１に記載の金属化フィルムコンデンサ。
3. 前記引出端子は板状のバスバー、あるいは接合部分を平板状に加工したリード線である請求項１に記載の金属化フィルムコンデンサ。
4. 前記アルミニウム箔の厚みは３０μｍ以上７５μｍ以下である請求項１に記載の金属化フィルムコンデンサ。
5. 前記誘電体フィルムとして、ポリプロピレンフィルムを用いた請求項１に記載の金属化フィルムコンデンサ。
6. 車両に搭載され、モータ駆動用インバータ回路の平滑用、スナバ用、フィルタ用として用いられる請求項１に記載の金属化フィルムコンデンサ。

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