JP4906108B2 - 金属化フィルムコンデンサ - Google Patents

Description

本発明は、産業機器や自動車に用いられるフィルムコンデンサに関し、特に、ハイブリッド自動車等のモータ駆動用インバータ回路の平滑用、フィルタ用に用いられる金属化フィルムコンデンサに関する。

従来、ハイブリッド自動車等のモータ駆動用インバータ回路の平滑用金属化フィルムコンデンサはコンデンサ素子をプラスチックケースに収納して樹脂を充填、硬化した構造を有し、過酷な温度サイクル、外気からの湿気に対する環境安定性を保ってきた。

この金属化フィルムコンデンサは、図４に示すように、コンデンサ素子６を電極板８で複数個、並列接続して引出端子１０を接続した金属化フィルムコンデンサをプラスチックケース９に収納して樹脂１１を充填硬化し、内面加工部１４を有するアルミニウム製ケース１５に収納してケース間樹脂１６を充填硬化した構造を有し、例えば以下の特許文献１に報告されている。

特開２００７−０１９１３６号公報

しかし、ハイブリッド自動車等におけるモータ駆動用インバータ回路の平滑用金属化フィルムコンデンサの環境条件はさらに厳しくなり、１００℃を超える高温度での使用や８５℃、８５％の高温高湿条件、−４０〜＋１２０℃の温度サイクルにおいても特性安定化が求められるようになってきている。

これに対して、前記特許文献１のアルミニウム製ケースに内面加工部１４を有する金属化フィルムコンデンサでは、ケース加工に工数を要する上、使用した樹脂についての記載がなく、温度サイクル試験条件、充填硬化樹脂によっては特性が満足できないことがある。

また、プラスチックケース９に収納した金属化フィルムコンデンサを内面加工部１４を有するアルミニウム製ケース１５に収納して、プラスチックケース９の底面全面にケース間樹脂１６を充填した時、プラスチックケース９とアルミニウム製ケース１５の間隔が小さいために、毛管現象により両ケース間の空隙部からケース間樹脂１６が溢れることがあり、両ケースの寸法公差の影響を受けやすく、樹脂量のコントロールが困難であり、作業性が低下するという問題があった。

本発明は上記の課題を解決するものであり、本発明による金属化フィルムコンデンサは、図３に示されるように、誘電体フィルムの少なくとも片面に金属蒸着電極が形成された金属化フィルムを巻回してなるコンデンサ素子６の端面にメタリコン部７が形成され、該メタリコン部７が形成されたコンデンサ素子が複数個、電極板８で並列接続されてポリフェニレンサルファイド（以下、ＰＰＳという）ケース９内に収納され、かつ、該ＰＰＳケース９内に充填された樹脂１１によって前記コンデンサ素子６が外装されており、前記ＰＰＳケース９が更に、ケース間接合樹脂１３を介してアルミニウム製ケース１２内に収納、固定された構造を有する金属化フィルムコンデンサにおいて、
前記ＰＰＳケース９が、グラスファイバーを５０〜８５重量％含有したＰＰＳから構成され、ケース間接合樹脂１３が、シランカップリング剤を含有したシリコーン樹脂で、前記アルミニウム製ケース１２の内側底部に充填されており、このような構造により、過酷な温度サイクルでの特性の安定化を図ることができる。
この際、コンデンサ素子６は、誘電体フィルムの少なくとも片面に設けられた蒸着金属を複数個のセグメント４に分割し、該セグメント４をヒューズ部５により並列接続した金属化フィルム１を巻回して形成されたものが好ましく、満足な接合強度を得るには、ケース間接合樹脂１３が、ＰＰＳケースの底面積の５％以上１００％未満の面積で接していれば良く、このような接合状態が得られるようにしてケース間接合樹脂１３の充填量が決定される。
上記構成を有した本発明の金属化フィルムコンデンサは、大形インバータ回路システムや車載用のインバータ回路システム用に好適である。

本発明の金属化フィルムコンデンサは、上記のようにコンデンサ素子をＰＰＳケースに収納し、該ＰＰＳケース内に樹脂を充填硬化した状態でＰＰＳケースごと、アルミニウム製ケースに収納される。
この時、前記アルミニウム製ケース底部に、シランカップリング剤を添加したシリコーン樹脂を充填することで、シランカップリング剤の作用により、シリコーン樹脂とＰＰＳケースとの接合強度、および、シリコーン樹脂とアルミニウム製ケースとの接合強度も向上する。
また、前記ＰＰＳケースにはグラスファイバー５０〜８５重量％が含有されているので、ＰＰＳケース中のグラスファイバーとシランカップリング剤との接合強度も向上し、ＰＰＳケースとシリコーン樹脂との接合性が、より向上する。
その結果、ＰＰＳケースとアルミニウム製ケースの空隙部に充填するシリコーン樹脂がＰＰＳケースの底面積の５％以上の接合面積で十分な接合強度が確保できるようになり、ＰＰＳケースの底面全面（１００％以上）に充填しなくてもすむようになった。
このため、ＰＰＳケースとアルミニウム製ケースの寸法公差を考慮しても、ＰＰＳケースの底面積の５％以上１００％未満の接合面積（好ましくは１０〜９０％）で、ケース間接合樹脂量をコントロールできるようになり、前記樹脂がケース間の空隙部から外部に溢れることがなくなり、樹脂量管理が容易となり、作業性も改善される。
ここで、前記シリコーン樹脂は、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂と比較して、耐熱性に優れ、柔軟性もあるため、クラックの発生を防止でき、上記のＰＰＳケースとアルミニウム製ケースとの接合強度向上効果と併せることで、過酷な試験条件（１００℃を超える高温度での使用や、８５℃、８５％の高温高湿条件、−４０〜＋１２０℃の温度サイクル）においても、コンデンサ素子を収納したＰＰＳケースがアルミニウム製ケースから脱離することはなく、品質的に安定した金属化フィルムコンデンサの製造が可能である。

本発明の金属化フィルムコンデンサにおける最良の形態について、図１〜３を用いて説明する。
図１において、符号１は、本発明の好ましい一例における金属化ポリプロピレン（以下、ＰＰという）フィルムであり、符号２は、厚さ４μｍのＰＰフィルム表面に蒸着により形成されたアルミニウム蒸着電極であり、符号３は、片側端部にフィルムの長手方向に絶縁溝を設けたマージン部であり、符号４は、蒸着電極２が複数個に分割された分割電極であり、符号５は、分割電極４を並列接続したヒューズ部を示している。

図２は、本発明の好ましい一例における巻回素子を示す図であり、符号６は、図１の金属化ＰＰフィルム１を巻回して得られた素子をプレスにて偏平状にしてメタリコン部７を形成したコンデンサ素子である。
図３は、図２のコンデンサ素子６を電極板８で並列接続し、外部引出端子１０を接続してＰＰＳケース９に収納し、樹脂１１を充填硬化した後、コンデンサ素子が収納されたＰＰＳケース９を、更にアルミニウム製ケース１２に収納してケース間接合樹脂１３を充填硬化して得られた本発明の金属化フィルムコンデンサの内部構造を示す断面図である。

本発明では、ＰＰＳケースにおけるグラスファイバーの含有量が５０〜８５重量％の範囲に限定されているが、これは、グラスファイバーの含有量が５０重量％未満であると、シリコーン樹脂成分と結合する酸素原子が少なくなって、シランカップリング剤との結合が弱くなり、満足な接合強度が得られず、逆に、グラスファイバーの含有量が８５％を超えるとＰＰＳケースの成形性が劣るために、ケースの歩留、品質低下を招くことによる。
また、本発明では、ＰＰＳケースとアルミニウム製ケースとを接合するケース間接合樹脂１３中にシランカップリング剤が添加されているが、このシランカップリング剤としては市販のもの（液状）が種々使用でき、その添加量としては０．１〜１０重量％が好ましい。
本発明において、ＰＰＳケースとアルミニウム製ケースとを接合する上記ケース間接合樹脂の充填面積はＰＰＳケース底面積の５％程度であっても一定の接着力が確保できるが、接合強度を十分に確保するためには、５％以上とすることが好ましい。
また、１００％以上とすると、ケース間接合樹脂がＰＰＳケースとアルミニウム製ケースとの空隙部から外部に溢れることがあるので、充填面積は１００％未満とすることが好ましい。
以下、実施例により本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

〔実施例１〕ケース間接合樹脂比較、シランカップリング剤添加
図１に示されるように、誘電体フィルムとしてのＰＰフィルムの表面に、蒸着により、複数個に分割した分割電極４を有するアルミニウム蒸着電極２を形成し、更に分割電極４を並列接続するヒューズ５を設け、フィルムの片側端部に長手方向に沿って絶縁マージン部３が設けられた金属化ＰＰフィルム１を作製した。
そして、このようにして得られた金属化ＰＰフィルム１を巻回してコンデンサ素子６を形成し、図２に示されるように、このコンデンサ素子６をプレスにて偏平状にした後、その両端面にメタリコン金属を溶射してメタリコン部７を形成し、得られたコンデンサ素子６を電極板８で並列接続し、外部引出端子１０を接続して、グラスファイバー含有量が５０重量％のＰＰＳケース９内に収納した。
前記ＰＰＳケース９内に樹脂１１を充填・硬化させた後、これをアルミニウム製ケース１２内に収納してケース間接合樹脂１３を充填・硬化させることにより、図３に示される内部構造を有する本発明の金属化フィルムコンデンサ（３００μＦ）を作製した。
この際、ケース間接合樹脂としては、シランカップリング剤が１０重量％添加されたシリコーン樹脂を使用し、ケース間接合樹脂の充填面積（接合面積）は９０％とした。

（比較例1-1〜1-3）ケース間接合樹脂比較、シランカップリング剤なし
ケース間接合樹脂（ケース間樹脂）として、前記実施例１における樹脂（シランカップリング剤が添加された樹脂）１３の代わりに、シランカップリング剤を含有しないウレタン樹脂、エポキシ樹脂およびシリコーン樹脂をそれぞれ使用する以外は実施例１と同様にして、図４に示される内部構造を有する３００μＦの金属化フィルムコンデンサを作製した。

実施例１および比較例１にて得られた金属化フィルムコンデンサ各５個について、−４０〜＋１２０℃の温度サイクル試験を２０００サイクル実施して１ｋＨｚでのｔａｎδを測定し、更にＰＰＳケースとアルミニウム製ケースの接合状態を確認した。
判定基準は、１ｋＨｚでのｔａｎδが０．５０%以下で、５個ともケース・樹脂面剥離、ケース脱離なしの場合を「○」（ただし、シランカップリング剤添加シリコーン樹脂の場合はケース底部に樹脂を充填硬化のために接合強度が３０Ｎ以上とする）、１個以上ケース・樹脂面が剥離した場合は「△」、１個以上抜け落ちた場合は「×」として表１に記載した。

上記表１の結果から、１ｋＨｚでのｔａｎδ平均値はケース間接合樹脂１３またはケース間樹脂１６の差は少なく、いずれも基準内であることが分かる。
これに対して、ケース、樹脂接合状態には差が見られ、ケース間接合樹脂１３としてシランカップリング剤を添加したシリコーン樹脂を使用した場合は５個とも合格であったが、ケース間樹脂１６がウレタン樹脂、シリコーン樹脂の場合はコンデンサの脱離が見られ、また、エポキシ樹脂の場合にはアルミニウム製ケース１５との界面での剥離が見られた。
これらの試験結果から、ＰＰＳケース９のグラスファイバー量を５０重量％とし、ケース間接合樹脂に、シランカップリング剤添加シリコーン樹脂を使用した場合に、上記の過酷な温度サイクル試験でも合格し、優れた効果が認められた。
なお、上記ウレタン樹脂、エポキシ樹脂にシランカップリング剤を添加した場合、上記比較例1-1、1-2よりも目立った改善効果は認められなかった。

〔実施例2-1〜2-7、１、比較例2-1〜2-3〕グラスファイバー量、ＰＰＳケース底部樹脂充填面積比較
上記の金属化フィルムコンデンサ（図３に示された内部構造を有するもの）において、ＰＰＳケース９のグラスファイバー含有量を４０〜９０重量％の範囲で変化させ、また、アルミニウム製ケースの内底面に充填するシランカップリング剤添加シリコーン樹脂の充填面積をＰＰＳケース底面積の２．５〜９０％の範囲で変化させて、３００μＦの金属化フィルムコンデンサを製作した。ここで、上記のシランカップリング剤の添加量は１０重量％とした。

実施例２で得られた金属化フィルムコンデンサ各５個について、−４０〜＋１２０℃の温度サイクル試験を２０００サイクル実施して１ｋＨｚでのｔａｎδを測定し、更にＰＰＳケースとアルミニウム製ケースの接合状態を確認した。
判定基準は、１ｋＨｚでのｔａｎδが０．５０%以下で、ケース、樹脂接合強度が５個とも３０Ｎ以上の場合を「○」とし、それ以外の場合を「×」として表２に記載した。また、グラスファイバーの含有量を変化させた際のケース成形性についても評価した。

上記表２の実験結果から、ＰＰＳケースに含まれるグラスファイバーの量について、１ｋＨｚでのｔａｎδは、ばらつきが見られるものの、いずれの場合も判定基準を満たしており、良好であった。
しかし、ケース、樹脂接合強度は、ＰＰＳケース中のグラスファイバー含有量が４０重量％以下になると、グラスファイバーを介して樹脂成分と結合する酸素原子の量が少なくなってシランカップリング剤との結合が弱くなり、満足な接合強度が得られないことが確認された（比較例2-1）。
これに対して、グラスファイバー含有量が８５重量％を超えるとＰＰＳケースの成形性が劣り、ケースの歩留、品質低下を招くために好ましくない（比較例2-3）。

充填樹脂量の最低限必要量について検討した結果、アルミニウム製ケースの内底面に充填される前記樹脂の充填量は、ＰＰＳケースの底面積の５％以上であれば３０Ｎ以上の接合強度を確保することができるが、これより樹脂充填の面積が小さい（ＰＰＳケース底面積の５％未満の範囲しか接合されない）場合には、接合強度を満足することができない。よって、接合強度を十分に確保するためには、５％以上とすることが好ましい。
また、１００％以上とすると、ケース間接合樹脂がＰＰＳケースとアルミニウム製ケースとの空隙部から外部に溢れることがあるので、充填面積は１００％未満とすることが好ましい。

本発明の金属化フィルムコンデンサを構成する金属化フィルムの一例を示す図である。 本発明の金属化フィルムコンデンサを構成する巻回素子の一例を示す図である。 本発明の実施例によるケース収納金属化フィルムコンデンサの内部構造を示す断面図である。 比較例によるケース収納金属化フィルムコンデンサの内部構造を示す断面図である。

符号の説明

１ 金属化ポリプロピレンフィルム
２ アルミニウム蒸着電極
３ マージン部
４ 分割電極
５ ヒューズ部
６ コンデンサ素子
７ メタリコン部
８ 電極板
９ ＰＰＳケース
１０ 外部引出端子
１１ 樹脂
１２ アルミニウム製ケース
１３ ケース間接合樹脂
１４ 内面加工部
１５ 内面加工アルミニウム製ケース
１６ ケース間接合樹脂

Claims (4)

1. 誘電体フィルムの少なくとも片面に金属蒸着電極が形成された金属化フィルムを巻回してなるコンデンサ素子の端面にメタリコン部が形成され、該メタリコン部が形成されたコンデンサ素子が複数個結線されてポリフェニレンサルファイドケース内に収納され、かつ、該ポリフェニレンサルファイドケース内に充填された樹脂によって前記コンデンサ素子が外装されており、前記ポリフェニレンサルファイドケースが更に、ケース間接合樹脂を介してアルミニウム製ケース内に収納、固定された構造を有する金属化フィルムコンデンサにおいて、
   前記ポリフェニレンサルファイドケースが、グラスファイバーを５０〜８５重量％含有したポリフェニレンサルファイドから構成され、前記ケース間接合樹脂が、シランカップリング剤を含有したシリコーン樹脂で、前記アルミニウム製ケースの内側底部に充填されていることを特徴とする金属化フィルムコンデンサ。
2. 前記ケース間接合樹脂が、前記ポリフェニレンサルファイドケースの底面積の５％以上１００％未満を接合する量にて充填されていることを特徴とする請求項１記載の金属化フィルムコンデンサ。
3. 前記コンデンサ素子が、誘電体フィルムの少なくとも片面の蒸着金属を複数個のセグメントに分割し、該セグメントをヒューズ部により並列接続した金属化フィルムを巻回して形成されたものであることを特徴とする請求項１または２記載の金属化フィルムコンデンサ。
4. 前記金属化フィルムコンデンサが、大形インバータ回路システムまたは車載用のインバータ回路システムに用いられることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の金属化フィルムコンデンサ。

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