JP3791457B2

JP3791457B2 - コンデンサとその製造方法

Info

Publication number: JP3791457B2
Application number: JP2002147409A
Authority: JP
Inventors: 和弘中坪; 茂男奥野; 隆神本; 誠冨田; 聡細川
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-05-22
Filing date: 2002-05-22
Publication date: 2006-06-28
Anticipated expiration: 2022-05-22
Also published as: JP2003338423A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は力率改善用の電力用、電気機器用、各種電源回路用及び通信機器等、直流用途の平滑用、フィルター用等高周波領域、特にモータ駆動のインバータ回路に使用される金属化フィルムコンデンサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、インバータ機器に用いられる金属化フィルムコンデンサにおいて、小形化、高性能化、低コスト化のための開発が盛んに行われている。また、インバータ機器に用いられる金属化フィルムコンデンサは、使用電圧の高電圧化、大電流化、大容量化などが要求されるため、並列接続した複数のコンデンサ素子をケース内に収納し、そのケース内に樹脂を注型したケース付き金属化フィルムコンデンサが開発、使用されている。
【０００３】
図４（ａ）は、従来の金属化フィルムコンデンサの正面図を模式的に断面で示した図、（ｂ）は側面図を断面で示した図であり、１は金属化フィルムコンデンサ素子、２は金属化フィルムコンデンサ素子１を収納するコンデンサケース、７はコンデンサ素子集合体１を保護する充填樹脂、５は複数個のコンデンサ素子１の巻回端面と接続し、外部と接続するための接続端子である。
【０００４】
以上のように構成された従来のフィルムコンデンサは、温度や湿度といった周囲環境に対して経時的にコンデンサ特性を確保するため、使用温度下における熱膨張差の少ない材料選定を行うことにより、充填樹脂とコンデンサケース間、電極引出し用の接続端子と充填樹脂間などに生ずる機械的応力の集中による剥離、クラックなどを防止することで、経時的にコンデンサ素子を外部より保護、特性を確保している。
【０００５】
また、従来のケース付き金属化フィルムコンデンサとして、耐環境性の特性向上を目的として、複数の樹脂層から外装材料を構成するものが知られている。例えば、実開平５−１８０２０号公報や特開平７−２９７００１号公報等があるが、近年のフィルムコンデンサの大容量化に対応した、複数個のコンデンサ素子を並列接続した構成のものではない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このような従来の金属化フィルムコンデンサの場合、種々の難点があった。従来のインバータ電流電源装置における金属化フィルムコンデンサへの高耐電圧、高周波大電流、大容量化の要望を満たすために、複数個のコンデンサ素子を低インピーダンス、インダクタンス化を図るため金属バスバーにより並列接続したものをコンデンサケースに収納、充填樹脂により外装保護するといった構成のものが主である。しかしながら、複数個のコンデンサ素子を並列接続する構成のために、材料構成が多種多様化し、コンデンサ体積の大型化のため、車載用に代表される過酷な環境条件下においては、温度サイクルによるコンデンサ素子、充填樹脂、金属バスバーなど各材料の熱膨張差により発生する機械的応力・ひずみが従来に比べ大きくなり、ケース開口部樹脂面でのクラック、充填樹脂と外装ケース間の剥離などが生じ、水分・湿度などの浸入を加速し、経年にわたるコンデンサ特性の維持が困難になるといった課題を有していた。
【０００７】
本発明は上記問題点を解決するものであり、過酷な条件下における耐環境性に優れた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。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の第１手段は、コンデンサ素子と、コンデンサ素子を内蔵するコンデンサケースとを備え、コンデンサケース内は少なくとも２種類以上の樹脂を充填した複数層構造であって、前記コンデンサ素子を覆う樹脂はエポキシ樹脂であり、前記コンデンサケースの開口部を覆う樹脂はウレタン樹脂であるコンデンサとしたものである。
【０００９】
また、本発明の第２手段は、コンデンサ素子を内蔵するコンデンサケースに樹脂充填するコンデンサの製造方法であって、コンデンサケースにエポキシ樹脂を注型し、硬化させた後に、ウレタン樹脂を注型するコンデンサ製造方法である。
【００１０】
また、本発明の第３手段は、コンデンサ素子と、コンデンサ素子の電極と接続する接続端子の少なくとも一部とを内蔵するコンデンサケースに樹脂充填されたコンデンサであって、前記コンデンサ素子を覆う樹脂はエポキシ樹脂であり、少なくともコンデンサケースの開口部に設けた接続端子付近に充填された樹脂はウレタン樹脂であるコンデンサとしたものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
以下に本実施の形態１について、図１を参照しながら説明する。図１（ａ）は本発明の実施の形態１における金属化フィルムコンデンサの正面図を模式的に断面で示した図、（ｂ）は側面図を断面で示した図である。
【００１２】
図１において、１は金属化フィルムを巻回または積層したコンデンサ素子、２はコンデンサ素子１を収納するコンデンサケース、３はコンデンサケース２に充填されるエポキシ樹脂、４はコンデンサケース２に充填されるウレタン樹脂、５はコンデンサ素子１に接続し外部機器等に接続する接続端子、６は樹脂注型部を注型するためのコンデンサケース２のケース開口部、８はコンデンサ素子１の両端に設けた電極である。
【００１３】
そして、コンデンサ素子１は、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の金属蒸着電極が誘電体フィルムを介して対向するように巻回し、両端面に電極を設けたものであり、それらを複数個並べている。また、接続端子５は複数個のコンデンサ素子１の電極８に接続することでコンデンサ素子１を並列に接続し、さらに外部と接続できるようにしている。また、コンデンサケース２は、コンデンサ素子１を収納するとともに、接続端子５の一部を内蔵している。そして、接続端子５の一部は、コンデンサケースから突出させ、外部機器等と接続できるようにしている。
【００１４】
さらに、ケース開口部６からコンデンサケース内にエポキシ樹脂を注型し、硬化させた後に、ウレタン樹脂を注型しており、このようにすることで、図１（ｂ）で示すようにエポキシ樹脂３とウレタン樹脂４の２層構造となるようにしている。
【００１５】
実施の形態１のコンデンサの具体的な製造方法について説明する。
【００１６】
コンデンサ素子１に用いる誘電体フィルムは厚み４μｍのポリプロピレンフィルムであり、その片面に金属蒸着電極を形成した片面金属化フィルムを一対の金属蒸着電極が誘電体フィルムを介して対向するように巻回した６個のコンデンサ素子１を外部接続端子用の金属バスバーにて並列接続する。ここで金属バスバーは接続端子５を指し、コンデンサケースから外部に出す構造にし、コンデンサ素子と外部機器等とを接続させるものである。
【００１７】
さらに、並列接続した６個のコンデンサ素子１を、コンデンサケース２へ収納し、コンデンサ素子１を覆うようにケース広幅面・開口部６から、エポキシ樹脂３を注型、硬化した後に、ウレタン樹脂４を注型、硬化してコンデンサを製造する。
【００１８】
このように、コンデンサ素子を耐熱性、耐湿性、耐絶縁性に優れたエポキシ樹脂にて外装した後、エポキシ樹脂層上に、弾性があり割れにくいウレタン樹脂層を構成することにより、耐熱性、耐湿性、耐絶縁性に優れ、かつヒートショック試験などの耐環境性の向上を図れるコンデンサを得ることが出来る。
【００１９】
なお、本実施の形態では、誘電体フィルムとして厚み４μｍのポリプロピレンフィルムを用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、ポリエチレンナフタレート、ポリフェニレンサルファイド等を用いても同様の効果が得られる。
【００２０】
また、本実施の形態では、片面金属化フィルム２枚を１対にして巻回したコンデンサ素子を用いたが、本発明はこれに限定されるものでなく、両面金属化フィルムと非金属化フィルムの２枚を１対にして巻回しても、同様の効果が得られる。
【００２１】
また、本実施の形態では、誘電体フィルムを巻回して得たコンデンサ素子を用いたが、本発明はこれに限定されるものでなく、誘電体フィルムを積層して得たコンデンサ素子を用いても、同様の効果が得られる。
【００２２】
（実施の形態２）
以下に本実施の形態２について、図２を用いて説明する。
【００２３】
図２において、図１で説明した構成と同一のものには同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００２４】
本実施の形態２は、樹脂を注型するケース開口部６を、図２でコンデンサケース２の上面にし、コンデンサケース２内の下部にエポキシ樹脂３、上部にウレタン樹脂を充填しており、ケース開口部６からコンデンサケース２内にエポキシ樹脂を注型し、硬化させた後に、ウレタン樹脂を注型している。そして、接続端子５の外部機器等との接続部に近い部分のみウレタン樹脂で充填した。なお、それ以外の構成、製造方法は実施の形態１と同じであり、重複する説明を省略する。
【００２５】
（性能比較）
このようにして実施の形態１の金属化フィルムコンデンサを試作し、−４０℃から＋１２０℃間のヒートショック試験を行った結果および周囲温度８５℃、湿度８５％における耐湿放置試験を行った結果を表１に示す。なお、ヒートショック試験については、試験開始１０００サイクルにて１ｋＨｚｔａｎδが初期値±１％以内、耐湿放置試験については、静電容量変化率が初期値±５％以内であれば良とする判定基準に従い判定した。
【００２６】
また、実施の形態２の金属化フィルムコンデンサを試作し、同様ヒートショック試験および耐湿放置試験を行った結果を表１に示す。
【００２７】
さらに、本発明の実施の形態１および２で示す金属化フィルムコンデンサと性能比較するために、以下に示すような比較例１から６を作成し、同様のヒートショック試験および耐湿放置試験を行った結果を表１に示す。
【００２８】
（比較例１）
実施の形態１で、コンデンサケース内に充填する樹脂をエポキシ樹脂のみとした以外は、実施の形態１と同様な方法で、コンデンサを試作し、比較例１とした。
【００２９】
（比較例２）
実施の形態１で、コンデンサケース内に充填する樹脂をウレタン樹脂のみとした以外は、実施の形態１と同様な方法で、コンデンサを試作し、比較例２とした。
【００３０】
（比較例３）
実施の形態１で、コンデンサ素子を覆うようにウレタン樹脂を注型、硬化した後に、その上にエポキシ樹脂を注型、硬化した以外は、実施の形態１と同様な方法で、コンデンサを試作し、比較例３とした。
【００３１】
（比較例４）
実施の形態２で、コンデンサケース内に充填する樹脂をエポキシ樹脂のみとした以外は、実施の形態２と同様な方法で、金属化フィルムコンデンサを試作し、比較例４とした。
【００３２】
（比較例５）
実施の形態２で、コンデンサケース内に充填する樹脂をウレタン樹脂のみとした以外は、実施の形態２と同様な方法で、金属化フィルムコンデンサを試作し、比較例５とした。
【００３３】
（比較例６）
実施の形態２で、コンデンサ素子を覆うようにウレタン樹脂を注型、硬化した後に、その上にエポキシ樹脂を注型、硬化した以外は、実施の形態２と同様な方法で、金属化フィルムコンデンサを試作し、比較例６とした。
【００３４】
【表１】

【００３５】
（性能検討）
表１より、実施の形態１、２が、ヒートショック試験、耐湿放置試験の両方を満足する結果が得られた。これは、コンデンサ素子周辺を機械的強度、耐熱性、耐湿性、耐絶縁性に優れたエポキシ樹脂で樹脂外装した上に、機械的応力が集中する樹脂表面や、樹脂と電極引出し用金属バスバーといった異なる材料間周辺を、弾性があり割れにくい性質を持つウレタン樹脂層で外装したために、コンデンサ素子への湿度侵入を防ぎ、かつ表面樹脂のクラック発生を防止した結果と考えられる。
【００３６】
比較例１、４の結果は、耐湿放置試験は特性を満足するが、ヒートショック試験はｔａｎδ特性が上昇悪化したり、樹脂表面にクラックが生じたり満足した結果が得られなかった。これは、耐湿性に優れたエポキシ樹脂でコンデンサ特性を保護しているが、車載用に代表される過酷なヒートショック条件下では、エポキシ樹脂の一般的なガラス転移温度：９０℃〜１０５℃を前後するために、樹脂と金属といった異なる材料間、コンデンサ素子両端のメタリコン・樹脂間、金属バスバー・メタリコン間、電極引出し用端子・樹脂間といった異なる材料間に過大な応力が生じるために、ｔａｎδ特性が悪化したり、表面の樹脂にクラックが生じる結果となったと考えられる。
【００３７】
比較例２、５の結果からわかるように、ヒートショック試験はｔａｎδ特性、樹脂クラックなどの異常も見られなかったが、耐湿放置試験において過度の容量減少が見られた。試験後の試料を解体調査したところ、誘電体に形成された金属蒸着膜が消失していたことから、ウレタン樹脂のみでは高温高湿度下の雰囲気では、外部からコンデンサ素子内部への水分、湿度の侵入を充分に防ぐことが出来ない結果と考えられる。
【００３８】
比較例３、６では、ヒートショック試験において表面樹脂にクラックが生じ、耐湿放置試験でも容量減少が見られた。これは、エポキシ樹脂面からの水分・湿度侵入はある程度防止しているが、耐湿性に劣るウレタン樹脂部からの水分・湿度侵入が耐湿放置試験での容量減少の要因と考えられる。また、表面樹脂のクラックは、エポキシ樹脂層が少ないために充分な機械的強度を得ることが出来ず、温度サイクルで生じる、各材料の熱膨張、収縮による応力・ひずみでクラックが生じる結果と考えられる。
【００３９】
（実施の形態３）
また、図３は本発明の実施の形態３における構成を示す図であり、実施の形態１または２で示したコンデンサを車輌駆動用モータを駆動するインバータ回路の平滑用として用いた例を示すもので、９は電池などの直流電源、１０は本発明の実施の形態の金属化フィルムコンデンサ、１１はインバータ回路、１２はモータ、１３は自動車を示す。
【００４０】
実施の形態１または２で示したコンデンサ１０は、上記で示したように、繰り返し受ける急激な熱変動に強いので、図３で示すように車輌駆動用モータ１２を駆動するインバータ回路１１の平滑用として用い、自動車１３に搭載するのに適している。
【００４１】
【発明の効果】
以上の説明からも明らかなように、本発明のコンデンサによれば、コンデンサ素子を内蔵するコンデンサケースに樹脂充填されたコンデンサであって、前記コンデンサケースに充填した樹脂はエポキシ樹脂とウレタン樹脂の２層構造とすることで、耐熱性、耐湿性、耐絶縁性に優れ、かつヒートショック試験などの耐環境性の向上を図ることが出来る。
【００４２】
また、本発明のコンデンサによれば、接続端子の少なくとも外部機器等との接続部に近い部分に充填された樹脂はウレタン樹脂とすることで、接続端子周辺に集中する機械的・温度的応力による樹脂クラックの発生を防止することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）本発明の実施の形態１における金属化フィルムコンデンサの正面図を模式的に断面で示した図
（ｂ）本発明の実施の形態１における金属化フィルムコンデンサの側面図を模式的に断面で示した図
【図２】（ａ）本発明の実施の形態２における金属化フィルムコンデンサの正面図を模式的に断面で示した図
（ｂ）本発明の実施の形態２における金属化フィルムコンデンサの側面図を模式的に断面で示した図
【図３】本発明の実施の形態３における構成を示す図
【図４】（ａ）従来例の金属化フィルムコンデンサの正面図を模式的に断面で示した図
（ｂ）従来例の金属化フィルムコンデンサの側面図を模式的に断面で示した図
【符号の説明】
１コンデンサ素子
２コンデンサケース
３エポキシ樹脂
４ウレタン樹脂
５接続端子
８電極
１１インバータ回路
１２モータ
１３自動車

Claims

コンデンサ素子と、前記コンデンサ素子を内蔵するコンデンサケースとを備え、前記コンデンサケース内は少なくとも２種類以上の樹脂を充填した複数層構造であって、前記コンデンサ素子を覆う樹脂はエポキシ樹脂であり、前記コンデンサケースの開口部を覆う樹脂はウレタン樹脂であるコンデンサ。
コンデンサ素子と、前記コンデンサ素子を内蔵するコンデンサケースとを備え、前記コンデンサケース内に複数の樹脂を充填して複数構造にするコンデンサの製造方法であって、前記コンデンサケース内にエポキシ樹脂を注型し、硬化させた後に、ウレタン樹脂を注型して製造するコンデンサの製造方法。
電極を有するコンデンサ素子と、前記コンデンサ素子の電極と接続する接続端子と、前記接続端子の少なくとも一部および前記コンデンサ素子を内蔵するコンデンサケースとを備え、前記コンデンサケース内に２種類以上の樹脂を充填した複数層構造であるコンデンサであって、前記コンデンサ素子を覆う樹脂はエポキシ樹脂であり、前記接続端子の少なくとも外部機器等との接続部に近い部分となる前記コンデンサケースの開口部に充填した樹脂は、ウレタン樹脂であるコンデンサ。
コンデンサケースに充填する樹脂は、前記コンデンサケースにエポキシ樹脂を注型し、硬化させた後に、ウレタン樹脂を接続端子の外部機器等との接続部に近い部分となる前記コンデンサケースの開口部を覆うように注型して製造する請求項２記載のコンデンサ製造方法。
コンデンサ素子と、前記コンデンサ素子を内蔵するコンデンサケースとを備え、前記コンデンサケース内は少なくとも２種類以上の樹脂を充填した複数層構造である請求項１に記載のコンデンサを平滑用コンデンサとして用いた自動車駆動用モータを駆動するインバータ回路。
コンデンサ素子と、前記コンデンサ素子を内蔵するコンデンサケースとを備え、前記コンデンサケース内は少なくとも２種類以上の樹脂を充填した複数層構造である請求項１に記載のコンデンサを平滑用コンデンサとして用いた自動車駆動用モータを駆動するインバータ回路を搭載した自動車。