JP4968788B2

JP4968788B2 - 金属化フィルムコンデンサおよびその製造方法

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Publication number: JP4968788B2
Application number: JP2007171949A
Authority: JP
Inventors: 伴紀田村
Original assignee: Nichicon Capacitor Ltd
Current assignee: Nichicon Capacitor Ltd
Priority date: 2007-06-29
Filing date: 2007-06-29
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2027-06-29
Also published as: JP2009010265A

Description

本発明は、産業機器や自動車に用いられるコンデンサおよびその製造方法に関し、特にハイブリッド自動車等のモータを駆動するインバータ回路に用いられる金属化フィルムコンデンサおよびその製造方法に関する。

従来、金属化フィルムコンデンサは、誘電体フィルムの少なくとも片面に金属を蒸着させて蒸着電極を形成し、このフィルムを巻回して形成した巻回体の端面にメタリコンを形成してコンデンサ素子とし、該コンデンサ素子をケースに複数個収納した後、該ケースに樹脂を充填し、これを硬化させて作製される。

コンデンサ素子の周りに充填される樹脂としては、通常、エポキシ樹脂、またはエポキシ樹脂とウレタン樹脂が用いられており、これにより、ケース外部の湿気または温度変化によるコンデンサの特性劣化を抑制している（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３―３３８４２３号公報

近年、ハイブリッド自動車等のモータを駆動するインバータ回路で、平滑用コンデンサとして使用される金属化フィルムコンデンサには、９０℃−９０％ＲＨの高温、高湿度環境、および−４０〜＋１２０℃の温度変化においても特性が劣化しないことが要求されている。

そこで、特許文献１に記載の金属化フィルムコンデンサでは、ケース内に充填する樹脂としてウレタン樹脂を使用している。ウレタン樹脂は、エポキシ樹脂に比べて弾性率が小さく、温度サイクル試験におけるクラックの発生をある程度抑制することができる。
しかしながら、特許文献１に係る金属化フィルムコンデンサにおいても、上記の過酷な温度、湿度環境下では、ケースと該ケースに充填した樹脂とが剥離（ケース−樹脂剥離）したり、樹脂表面にクラックが発生（樹脂クラック）するという問題があった。
このような問題が発生した金属化フィルムコンデンサは、ケース外部の湿気を吸収し易くなり、長期間にわたって特性を維持するのが困難であった。

上記の問題を鑑みて、本発明は、車載用コンデンサに要求される過酷な温度、湿度環境下における特性の劣化を抑制することができる金属化フィルムコンデンサおよびその製造方法を提供することを課題とする。

本発明は、金属化フィルムを巻回または積層して形成したコンデンサ素子と、該コンデンサ素子が収納されるケースと、該ケースに充填される樹脂とからなる金属化フィルムコンデンサにおいて、前記ケースは、ポリフェニレンサルファイド樹脂に５０〜８５ｗｔ％のグラスファイバーを混合して成形したものであり、充填される前記樹脂は、ガラス転移点が１１５℃以上で、かつ、６０℃における粘度が１５００〜３０００ｍＰａ・ｓになるように５０〜８０ｗｔ％のシリカを混合したエポキシ樹脂であることを特徴とする金属化フィルムコンデンサである。

また、本発明は、金属化フィルムを巻回または積層して形成したコンデンサ素子をケースに収納し、該ケースに樹脂を充填して製造される金属化フィルムコンデンサの製造方法において、前記ケースとして、ポリフェニレンサルファイド樹脂に５０〜８５ｗｔ％のグラスファイバーを混合して成形したものを使用し、充填される前記樹脂として、ガラス転移点が１１５℃以上で、かつ、６０℃における粘度が１５００〜３０００ｍＰａ・ｓになるように５０〜８０ｗｔ％のシリカを混合したエポキシ樹脂を用い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である。

なお、特に断りがない限り、本明細書中における混合物の比率は「ｗｔ％（重量％）」で表すものとする。例えば、２５ｇの物質Ａと１００ｇの物質Ｂを混合してなる物質Ｃにおける物質Ａの比率は、２５／（２５＋１００）×１００＝２０ｗｔ％となる。

本発明によれば、コンデンサ素子が収納されるケースとして、ポリフェニレンサルファイド樹脂に５０〜８５ｗｔ％のグラスファイバーを混合して成形したものを使用することで、ケースの耐熱性、耐湿性が向上し、該ケースに充填される樹脂とケースとの接合性が向上し、さらに、該充填樹脂として、ガラス転移点が１１５℃以上で、かつ、５０〜８０ｗｔ％のシリカを混合して６０℃における粘度を１５００〜３０００ｍＰａ・ｓに調整したエポキシ樹脂を使用することにより、機械的強度、耐熱性、耐湿性、成形性が改善されるため、車載用コンデンサに要求される過酷な温度、湿度環境下における特性の劣化を抑制することができる金属化フィルムコンデンサおよびその製造方法を提供することができる。

以下、本発明の好ましい実施形態について、図１〜３を用いて説明する。

［実施例１−１〜４、比較例１−１、２］ケースのグラスファイバー混合量比較
図１において、１は金属化ポリプロピレンフィルム（以下、金属化フィルムと称す）で、２は金属化フィルム１の片面にアルミニウムを蒸着した４μｍ厚の蒸着電極領域、３は電極を形成しないマージン部である。蒸着電極領域２は、複数の蒸着電極４に分割されており、これらはヒューズ部５を介して並列に接続されている。

図２は、本発明に係るコンデンサ素子である。コンデンサ素子６は、図１に示す金属化フィルム１、およびこれと上下反対に電極を蒸着させた金属化フィルム１’を重ねて巻回し、この巻回体をプレスして偏平状にし、さらに、その両端面にメタリコン部７、７’を形成したものである。
金属化フィルム１、１’には、それぞれマージン部３、３’が設けられているため、メタリコン部７は蒸着電極領域２’のみに接続され、メタリコン部７’は蒸着電極領域２のみに接続される。

図３は、上記のようにして作製した１０個のコンデンサ素子６をケース９に収納した後、樹脂１０を充填、硬化させた金属化フィルムコンデンサの断面図である。
各コンデンサ素子６のメタリコン部７は電極板８によって並列に接続され、電極板８は引出端子１１によってケース外部に引き出される。
また、図３では図示されない他方のメタリコン部７’も同様に電極板で並列に接続され、引出端子で外部に引き出される。

実施例１−１〜４、比較例１−１、２では、ガラス転移点が１１５℃のエポキシ樹脂にシリカを６５ｗｔ％混合して、６０℃の粘度が２０００ｍＰａ・ｓとなるように調製された樹脂と、ポリフェニレンサルファイド樹脂（以下、ＰＰＳ樹脂）に４０〜９５ｗｔ％のグラスファイバーを混合し、これを成形したケースを使用して、定格電圧５００Ｖ、静電容量２０００μＦの金属化フィルムコンデンサを作製した。

（従来例１）
図４に、従来例１に係る金属化フィルムコンデンサの断面図を示す。
この金属化フィルムコンデンサは、特許文献１に記載の金属化フィルムコンデンサと同様に２種類の樹脂１０、１０’を使用した。樹脂１０は、ガラス転移点が１０５℃のエポキシ樹脂にシリカを６５ｗｔ％混合して、６０℃の粘度が２０００ｍＰａ・ｓとなるように調製されたものであり、樹脂１０’はウレタン樹脂である。
また、ケース９は、ＰＰＳ樹脂に８５ｗｔ％のグラスファイバーを混合して成形したものである。
この他、コンデンサ素子６、電極板８、および引出端子１０については実施例１−１〜４と同様にして、定格電圧５００Ｖ、静電容量２０００μＦの金属化フィルムコンデンサを作製した。

実施例１−１〜４、比較例１−１、２、および従来例１に係る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行い、ケース−樹脂剥離等の外観異常の有無を確認した。
その後、各コンデンサについて、９０℃−９０％ＲＨで５００Ｖの電圧を１０００時間印加する耐湿負荷試験を行って、試験前後の静電容量変化率（平均値）を測定した。これらの試験結果を表１に示す。
なお、温度サイクル試験は、−４０℃から＋１２０℃まで２時間で昇温し、その後＋１２０℃から−４０℃まで２時間で降温するのを１サイクルとし、これを２０００回繰り返して行った。

また、表１に係る試験では、ケース成形の際に、ＰＰＳ樹脂とグラスファイバーからなるケース材料が型枠の隅々まで行きわたっているかどうかについても評価を行った（ケース成形性）。

表１の試験結果から分かるように、グラスファイバーを５０〜８５ｗｔ％混合したケースを使用した実施例１−１〜４に係る金属化フィルムコンデンサは、樹脂とケースとの密着性が向上するため、ケース−樹脂剥離がなく、また、温度サイクル試験後に行った耐湿負荷試験においても、静電容量がほとんど変化しなかった。
しかしながら、グラスファイバーの混合量が９５ｗｔ％の比較例１−２では、ケース材料の粘度が高くなるため、ケース成形性の悪化が見られた。そして、グラスファイバーの混合量が４０ｗｔ％の比較例１−１では、ケース−樹脂の密着性が悪く、また、ケースの耐熱性、耐湿性が低下するため、静電容量の低下が見られた。

これに対して、従来例１に係る金属化フィルムコンデンサは、グラスファイバーが８５ｗｔ％混合されたケースを使用しているため、ケース−樹脂剥離は見られなかったが、９０℃−９０％ＲＨの耐湿負荷試験では外部の湿気を吸収することにより、他の良好なものと比較して静電容量が大きく低下した。
これは、従来例１に係るエポキシ樹脂のガラス転移点（１０５℃）が、実施例１−１〜４に係るエポキシ樹脂のガラス転移点（１１５℃）よりも低く、耐熱性が劣るためと思われる。

以上のことから、ガラス転移点が１１５℃のエポキシ樹脂にシリカを６５ｗｔ％混合して粘度が２０００ｍＰａ・ｓとなるように調製された樹脂と、ＰＰＳ樹脂に５０〜８５ｗｔ％のグラスファイバーを混合したケースを使用した実施例１−１〜４に係る金属化フィルムコンデンサは、−４０〜＋１２０℃の温度サイクル試験において外観異常が発生せず、また、９０℃−９０％ＲＨでの耐湿負荷試験においても静電容量がほとんど変化せず、さらに、ケース成形性も良好であることが分かった。

［実施例２−１〜３、比較例２−１、２］充填樹脂のシリカ混合量比較
次に、実施例２−１〜３、比較例２−１、２として、ガラス転移点が１１５℃のエポキシ樹脂に、無機フィラーとして２０〜９０ｗｔ％のシリカを混合して、６０℃の粘度が１０００〜４０００ｍＰａ・ｓとなるように調製された樹脂と、ＰＰＳ樹脂に８５ｗｔ％のグラスファイバーを混合したケースを使用し、これ以外の工程は実施例１−１〜４と同様にして、定格電圧５００Ｖ、静電容量２０００μＦの金属化フィルムコンデンサを作製した。

（従来例２）
従来例２として、ガラス転移点が１０５℃のエポキシ樹脂に８０ｗｔ％のシリカを混合して、６０℃の粘度が３０００ｍＰａ・ｓとなるように調製された樹脂と、ＰＰＳ樹脂に８５ｗｔ％のグラスファイバーを混合したケースを使用し、これ以外の工程は実施例１−１〜４と同様にして、定格電圧５００Ｖ、静電容量２０００μＦの金属化フィルムコンデンサを作製した。

実施例２−１〜３、比較例２−１、２、および従来例２に係る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行い、ケース−樹脂剥離等の外観異常の有無を確認した。
その後、各コンデンサについて、９０℃−９０％ＲＨで５００Ｖの電圧を１０００時間印加する耐湿負荷試験を行って、試験前後の容量変化率（平均値）を測定した。これらの試験結果を表２に示す。

エポキシ樹脂に５０〜８０ｗｔ％のシリカを混合して、６０℃の粘度が１５００〜３０００ｍＰａ・ｓとなるように調製された樹脂を使用した実施例２−１〜３に係る金属化フィルムコンデンサは、ケース−樹脂剥離および樹脂クラックがなく、また、温度サイクル試験後に行った耐湿負荷試験においても静電容量がほとんど変化しなかった。
しかしながら、樹脂の粘度が１０００ｍＰａ・ｓである比較例２−１では、硬化させた際の樹脂の収縮が大きいため、温度サイクル試験において樹脂にクラックが発生し易く、耐湿負荷試験において静電容量が低下した。
また、樹脂の粘度が４０００ｍＰａ・ｓとなるように調製された比較例２−２では、樹脂の粘度が高すぎるために、樹脂充填作業に時間を要するとともに、ケースと充填された樹脂との間に気泡が発生したことにより、温度サイクル試験においてケース−樹脂剥離が発生し、静電容量が減少した。

一方、従来例２に係る金属化フィルムコンデンサは、温度サイクル試験においてケース−樹脂剥離が発生し、９０℃−９０％ＲＨでの耐湿負荷試験で、外部の湿気を吸収して、静電容量が大きく低下した。
これは、従来例２に係る金属化フィルムコンデンサで使用したエポキシ樹脂のガラス転移点が低く、耐熱性が劣るためと思われる。

表２に示す試験結果からは、ガラス転移点が１１５℃のエポキシ樹脂に５０〜８０ｗｔ％のシリカを混合して、６０℃の粘度が１５００〜３０００ｍＰａ・ｓとなるように調製された樹脂と、ＰＰＳ樹脂に８５ｗｔ％のグラスファイバーを混合したケースを使用した実施例２−１〜３に係る金属化フィルムコンデンサは、−４０〜＋１２０℃の温度サイクル試験において外観異常が発生せず、また、９０℃−９０％ＲＨでの耐湿負荷試験において静電容量がほとんど変化しないことが分かった。

以上のように、表１、２に示した試験結果をまとめると、ケースとして、ＰＰＳ樹脂に５０〜８５ｗｔ％のグラスファイバーを混合して成形したものを使用するとともに、樹脂として、ガラス転移点が１１５℃以上のエポキシ樹脂に５０〜８０ｗｔ％のシリカを混合して、６０℃における粘度が１５００〜３０００ｍＰａ・ｓとなるように調製されたものを使用することによって、車載用コンデンサに要求される過酷な温度サイクル試験（−４０℃〜＋１２０℃）、および耐湿負荷試験（９０℃−９０％ＲＨ）に耐え得る金属化フィルムコンデンサを得ることができた。

なお、各実施例では、無機フィラーとしてシリカを混合することによってエポキシ樹脂の粘度を調整したが、これに替えてアルミナ、酸化チタン、ホワイトカーボン、マイカ、タルク、クレー、グラスファイバー等を用いても同様の効果を得ることができる。また、エポキシ樹脂のガラス転移点は、１１５℃以上であれば同様の効果を得ることができる。

また、本発明には、各実施例で使用したコンデンサ素子以外の種々のコンデンサ素子が適用可能である。
例えば、図１に示す金属化フィルム１の両面に蒸着電極領域２を形成してもよく、また、マージン部３を除いた蒸着電極領域２全体を１つの大きな蒸着電極４としてもよい。
また、図２では、金属化フィルム１を巻回してコンデンサ素子６を形成したが、必要な枚数の金属化フィルム１を積層して形成してもよい。さらに、蒸着電極４の形状が異なる２種類の金属化フィルム１を巻回または積層してコンデンサ素子６を形成してもよい。
また、コンデンサの耐圧性を向上させるために、金属化フィルム１に替えて、電極を形成しないタイプのフィルムを用いることもできる。

金属化ポリプロピレンフィルムの平面図である。コンデンサ素子の斜視図である。実施例および比較例に係る金属化フィルムコンデンサの断面図である。従来例に係る金属化フィルムコンデンサの断面図である。

符号の説明

１、１’ 金属化ポリプロピレンフィルム
２、２’ 蒸着電極領域
３、３’ マージン部
４、４’ 蒸着電極
５、５’ ヒューズ部
６コンデンサ素子
７、７’ メタリコン部
８電極板
９ケース
１０樹脂（エポキシ樹脂）
１０’ 樹脂（ウレタン樹脂）
１１引出端子

Claims

金属化フィルムを巻回または積層して形成したコンデンサ素子と、該コンデンサ素子が収納されるケースと、該ケースに充填される樹脂とからなる金属化フィルムコンデンサにおいて、
前記ケースは、ポリフェニレンサルファイド樹脂に５０〜８５ｗｔ％のグラスファイバーを混合して成形したものであり、充填される前記樹脂は、ガラス転移点が１１５℃以上で、かつ、６０℃における粘度が１５００〜３０００ｍＰａ・ｓになるように５０〜８０ｗｔ％のシリカを混合したエポキシ樹脂であることを特徴とする金属化フィルムコンデンサ。
金属化フィルムを巻回または積層して形成したコンデンサ素子をケースに収納し、該ケースに樹脂を充填して製造される金属化フィルムコンデンサの製造方法において、
前記ケースとして、ポリフェニレンサルファイド樹脂に５０〜８５ｗｔ％のグラスファイバーを混合して成形したものを使用し、
充填される前記樹脂として、ガラス転移点が１１５℃以上で、かつ、６０℃における粘度が１５００〜３０００ｍＰａ・ｓになるように５０〜８０ｗｔ％のシリカを混合したエポキシ樹脂を用い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。