JP4480297B2 - フィルムコンデンサの端面電極用素材 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、巻回または積層方式によって製造されるフィルムコンデンサの端面電極用素材、特に高温高湿環境下においても耐久性に優れた端面電極用素材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
フィルムコンデンサは、一般的に、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート等のプラスチック誘電体フィルムに電気良導体金属（Ａｌ等）を蒸着したフィルムを巻回または積層し、あるいはプラスチック誘電体フィルムと金属箔とを重ねたものを巻回または積層し、その両端部に溶射によって端面電極を形成し、各端面電極にそれぞれリード線を接合することにより構成されている。
【０００３】
従来、フィルムコンデンサの端面電極は、ＺｎやＳｎ−Ｚｎ−Ｐｂ、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｐｂ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｚｎ等の多様な合金系を溶射することにより形成されていた。
【０００４】
しかし、ISO14000認証取得活動の活発化に象徴されるように、最近は環境問題への関心が高まっており、環境有害物質とされるＰｂを含む合金系の使用は望ましくない。そのため、現在使用されている端面電極用素材はほとんど無鉛材料である。
【０００５】
なかでも、主にコスト面から、Znが大量に使用されている。Znは従来の端面電極用素材と同じ様にフィルムコンデンサの端面に溶射されて、メタリコン皮膜を形成する。しかし、Ｚｎ電極の場合、リード線接合工程における不良率が高いという問題がある。これは、Ｚｎ電極が高硬度であると共に比較的薄い皮膜であるため、リード線を接合する際に、皮膜にクラックが生じ易いからである。
【０００６】
この問題を防ぐために、Zn電極の外側にSn−Zn等のSnを主成分とする比較的柔らかい合金を溶射して、Zn電極（内層）およびSn基合金電極（外層）からなる２層構造の電極を形成し、柔らかい外層にリード線を接合する方法が行われている。
【０００７】
しかしながら、このような２層構造の電極では、製造工程が増えて製造コストが増大するばかりでなく、２層の接合面にクラックが生じる等のために耐久性が低いといった新たな問題が発生している。
【０００８】
一方、近年、自動車電装業界および照明業界等を中心に、より過酷な条件下、特に高温高湿環境下における長期間使用を目的として、フィルムコンデンサの耐久性向上に対する要求が益々高まってきている。ところが、上記の従来の端面電極用素材はいずれも酸化速度が大きいため、特に高温高湿などの過酷な条件下では、素材自体の劣化に起因するコンデンサの性能低下は避けられない。従って、コンデンサの耐久性改善には、新規な高性能合金開発が必須である。
【０００９】
以上の問題を解決するために、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｃｕ−Ｓｂ系合金をフィルムコンデンサの電極用素材として用いる技術が提案されている（特開２０００−５８３７０号）。上記合金により形成された電極は、湿潤環境下での耐食性が高く、高信頼性のフィルムコンデンサの提供に大きく寄与するものである。しかも、上記合金は無鉛であり、またＳｎを多く含有するために、電極を２層構造とする必要はない。
【００１０】
しかしながら、さらなる長期信頼性向上の観点から、一層高性能な端面電極用素材、特に高温高湿下においても耐久性の高い端面電極用素材が強く要望されている。
【００１１】
本発明は、このような事情に着目してなされたものであって、その目的は、フィルムコンデンサの端面に一層構造の電極形成が可能であり、かつ無鉛材料でありながら、耐久性および電気特性に優れたフィルムコンデンサの端面電極用素材を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るフィルムコンデンサの端面電極用素材は、Ｚｎ：１〜２５％（質量％を意味する、以下同じ）、Ｃｕ：１〜３％、Ｓｂ：０．５〜２．５％、Ｔｉ：０．０１〜０．２％及び残部がＳｎ及び不可避不純物からなることを特徴とする。
【００１３】
前記端面電極用素材は、更にＮｉ：１．０％以下（０％を含まない）及び／またはＡｇ：１．０％（０％を含まない）を含有してもよい。
【００１４】
本発明に係るフィルムコンデンサは、前記端面電極用素材によって電極が形成されたものであることを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明のフィルムコンデンサの端面電極用素材は、ＰｂフリーのＳｎ基合金に対して、高融点金属であるＴｉが０．０１〜０．２％添加されていることを特徴としている。
【００１６】
従来は、低融点のＳｎ基合金にＴｉを含有させることは困難とされていた。しかし、本発明者らは、Ｔｉの酸化速度抑制効果に着目し、Ｔｉの添加によって合金の高性能化を図るという思想の下に試行錯誤を重ねた結果、独自の方法によってＴｉ添加に成功し、本発明を見出すに至った。
【００１７】
まず、各合金元素の含有量について説明する。
【００１８】
本発明の端面電極用素材は、Ｓｎをベースとしている。前述したように、Ｓｎ基合金は比較的柔らかいため、フィルムコンデンサ端面との密着性が高い。また、Ｓｎ基合金による電極では、リード線との接合時にクラック等の不良が生じにくいため、Ｚｎを用いた場合のように電極を２層構造にする必要はない。
【００１９】
本発明のＳｎ基合金は、必須元素として、Ｔｉ、Ｚｎ、ＣｕおよびＳｂを含有する。
【００２０】
Ｔｉの好ましい含有量は、０．０１〜０．２％である。Ｔｉ含有量が０．０１％未満では、Ｔｉの添加による効果が十分に発揮されない可能性がある。より好ましい下限量は０．０１３％、更に好ましくは０．０１５％以上である。一方、Ｔｉを０．２％より多く添加すると、その添加効果が飽和してしまうばかりでなく、合金製造が困難となる。より好ましい上限量は０．１５％、更に好ましくは０．１０％以下である。
【００２１】
Ｚｎの好ましい含有量は、１〜２５％であり、Ｚｎ含有量が１％未満では、所望のＴｉ量を添加することが困難となる。より好ましい下限量は２％、更に好ましくは３％以上である。一方、Ｚｎが２５％より多い場合、Ｚｎの選択的酸化損耗が顕著となり、耐久性が低下する。より好ましい上限量は２３％、更に好ましくは２０％以下である。
【００２２】
Ｃｕの好ましい含有量は、１〜３％であり、Ｃｕ含有量が１％未満では、添加効果（耐久性向上効果）が十分に発揮されない。より好ましい下限量は１．３％、更に好ましくは１．５％以上である。一方、Ｃｕが３％より多い場合、却って素材の耐久性を低下させる。より好ましい上限量は２．８％、更に好ましくは２．５％以下である。
【００２３】
Ｓｂの好ましい含有量は、０．５〜２．５％であり、Ｓｂ含有量が０．５％未満では、添加効果（耐久性向上効果）が十分に発揮されない。より好ましい下限量は０．８％、更に好ましくは１％以上である。一方、Ｓｂが２．５％より多い場合、却って素材の耐久性を低下させる。より好ましい上限量は２％、更に好ましくは１．５％以下である。
【００２４】
本発明の端面電極用素材には、上記必須元素に加えて、必要に応じて１．０％以下のＮｉ及び／または１．０％以下のＡｇを含有してもよい。
【００２５】
更に、本発明の端面電極用素材は、その特性を阻害しない程度のＮ，Ｏ等の不可避不純物を含有してもよい。
【００２６】
次に、上記端面電極用素材による電極の形成方法を説明する。
【００２７】
上記端面電極用素材は、まず、メタリコン用線材に形成される。更にこの線材を用いて、フィルムコンデンサの両端に溶射により端面電極（メタリコン皮膜）を形成する。電極形成後、各電極に溶接によりリード線を接合する。
【００２８】
本発明が適用されるフィルムコンデンサの本体部分については、その構成や素材が特に限定されるものではないが、代表的なものとしては電気良導体金属（Ａｌ等）を蒸着したポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート等のプラスチック誘電体フィルムを巻回または積層した構成のもの、プラスチック誘電体フィルムと金属箔とを重ねたものを巻回または積層した構成のもの等が非限定的に挙げられる。
【００２９】
【実施例】
【００３０】
【表１】

【００３１】
実施例１〜３
各実施例について、表１に示す組成からなる合金を作製した。次いで、これらの合金を電極素材とするサンプルコンデンサを作製し、耐候性試験を行った。以下にその方法を説明する。
【００３２】
〔溶射用線材の作製〕
実施例１〜３の合金を用いて、それぞれ１．５ｍｍφの細線を形成した。
【００３３】
〔サンプルコンデンサの作製〕
実施例１〜３の合金をそれぞれ端面電極素材とするサンプルコンデンサ（各実施例につきｎ＝３個）を、以下のように作製した。
【００３４】
誘電体フィルムとして、Ａｌが蒸着されたポリプロピレンフィルム（誘電体厚み：５μｍ）を用い、巻回法により誘電体フィルム積層体（静電容量：０．３μＦ）を作製した。その両端面に、上記により作製された線材を用いて、端面電極（皮膜）を溶射形成した。このとき、端面電極の厚さは０．５ｍｍとした。各端面電極には外部電極引き出し用のリード線を溶接した。なお、端面電極の耐候性を加速評価するために、サンプルコンデンサは無外装とした。
【００３５】
〔耐候性試験〕
得られたサンプルコンデンサを恒温恒湿槽に入れ、８５℃、湿度８５％の高温高湿雰囲気下に放置して、サンプルコンデンサの誘電損失率（ｔａｎδ）の時間的変化を調べた。なお、誘電損失率は、周波数１００ｋＨｚ時の値を測定した。
【００３６】
１００ｋＨｚ時の誘電損失率によって、端面電極用素材の劣化の程度を評価することができると考えられる理由は以下の通りである。
【００３７】
誘電損失率（ｔａｎδ）は、主に▲１▼誘電体の固有損失、▲２▼蒸着電極（Ａｌ）と端面電極間の接触損失および▲３▼端面電極とリード線間の接触損失の和である。上記のような高温高湿条件下で、端面電極の素材自体が酸化腐食等の劣化を生じると、端面電極−蒸着電極間および端面電極−リード線間の各接触状態が変化して、上記▲２▼および▲３▼の損失が増大し、その結果、誘電損失率が増大すると考えられる。
【００３８】
また、誘電体が本実施例のようにポリプロピレンの場合、上記▲１▼の固有損失はほとんど周波数に依存しない。一方、上記▲２▼および▲３▼の端面電極素材の劣化に起因する接触損失は、周波数が高くなると増加する。そこで、▲２▼および▲３▼の接触損失の微小な変化を容易に感知するために、１００ｋＨｚ程度の高周波において誘電損失率測定を行ったものである。
【００３９】
耐候性試験結果を表２に示す。表２における誘電損失率の値は、サンプルコンデンサ（ｎ＝３個）の平均値である。また、表２の記号は、“◎（極めて優れているもの）”、“○”、“□”、“△”および“×（極めて劣る）”の順に、各実施例の合金（端面電極用素材）の耐候性を５段階評価したものである。
【００４０】
なお、１００ｋＨｚ誘電損失率の値が０．８％以上となれば、そのコンデンサは通常「内部回路異常」と判定され、実用レベルを満たさないとされる。
【００４１】
比較例１〜３
上記実施例における結果と比較するために、表１に示す組成からなる比較例１〜３（Ｚｎ、Ｓｎ−５０％Ｚｎ、Ｓｎ−２．９３％Ｚｎ−１．９６％Ｃｕ−１．００％Ｓｂ）の金属または合金についても、実施例と同様の方法で溶射用線材の形成、サンプルコンデンサの作成および耐候性試験を行った。耐候性試験結果を表２に示す。
【００４２】
【表２】

【００４３】
表２に示される結果より、従来材料であるＺｎを電極とするサンプルコンデンサは、耐候試験開始４８時間後には誘電損失率が０．８を大幅に上回ることがわかった（比較例１）。同様に、従来材料であるＳｎ−５０％Ｚｎを電極とした場合にも、耐候試験開始９６時間後には誘電損失率が０．８を大幅に上回った(比較例２)。よって、これらの従来材料は、高温高湿環境に対する耐久性に劣ると考えられる。
【００４４】
比較例３の合金は、前述の公知文献によって開示された従来材料である。Ｃｕ，Ｓｂ添加によって、耐候性は多少改善されているものの、耐候試験開始９６時間後には誘電損失率が０．８を超え、「内部回路異常」と判定された。
【００４５】
一方、本発明の端面電極素材である実施例１〜３の合金を端面電極として用いたサンプルコンデンサは、２５０時間の耐候試験によっても、実用上支障となるような劣化がほとんど見られなかった。よって、これらの合金は、高温高湿環境下での長時間使用においても、優れた耐候性を維持し得ることが確認できた。
【００４６】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、環境汚染等の要因となるＰｂを含まない合金でありながら、高温高湿環境下においても耐久性および電気特性に優れたフィルムコンデンサの端面電極用素材を提供することができる。

Claims (3)

1. Ｚｎ：１〜２５％（質量％を意味する、以下同じ）、Ｃｕ：１〜３％、Ｓｂ：０．５〜２．５％、Ｔｉ：０．０１〜０．２％及び残部がＳｎ及び不可避不純物からなるフィルムコンデンサの端面電極用素材。
2. 更にＮｉ：１．０％以下（０％を含まない）及び／またはＡｇ：１．０％（０％を含まない）を含む請求項１に記載の端面電極用素材。
3. 請求項１または２に記載の端面電極用素材によって電極が形成されたものであるフィルムコンデンサ。