JP6885275B2

JP6885275B2 - フィルムコンデンサ

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Publication number: JP6885275B2
Application number: JP2017176972A
Authority: JP
Inventors: 祐樹山崎
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-09-14
Filing date: 2017-09-14
Publication date: 2021-06-09
Anticipated expiration: 2037-09-14
Also published as: JP2019054100A

Description

本発明は、金属化フィルムを備えたフィルムコンデンサに関する。

この種のフィルムコンデンサとして、誘電体フィルムと金属蒸着膜とにより形成される金属化フィルムを備え、金属蒸着膜の形成時にメタリコン電極側の金属蒸着膜部分を他の部分よりも所定の幅で厚く形成したものが開示されている（特許文献１参照）。この従来のフィルムコンデンサは、金属蒸着膜が金属膜層、誘電体フィルムが高分子フィルム、メタリコン電極が電極引き出し用メタリコンでそれぞれ形成されている。

従来のフィルムコンデンサは、一般に、金属化フィルムが積層または巻回された金属化フィルム柱体および金属化フィルム柱体の電極取り出し面に形成されたメタリコン電極からなる金属化フィルム素子を備えている。さらに、従来のフィルムコンデンサは、金属化フィルム素子を収容するケースと、ケース内に金属化フィルム素子を封止し、線膨張率（／℃）が金属化フィルムよりも小さい封止材とを備えている。

特開２００８−２６３１７２号公報

しかしながら、従来のフィルムコンデンサにおいては、フィルムコンデンサの温度が高温から低温に変化したとき、金属化フィルムとメタリコン電極との接合部分が剥離してしまうことがある。この剥離は、フィルムコンデンサの温度が高温から低温に変化する際、封止材の線膨張率が金属化フィルムよりも小さく、封止材の収縮が金属化フィルムの収縮よりも小さいので、封止材の収縮が金属化フィルムの収縮に追従することができないために生ずる。なお、線膨張率は、温度変化により材料の長さが変化する割合を示し、低温から高温への温度変化により材料が膨張する場合だけでなく、高温から低温への温度変化により材料が収縮する場合も含まれる。このような温度変化による接合部分の剥離によって、フィルムコンデンサの機能が損なわれてしまうという問題がある。

本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、高温から低温への温度変化があっても、金属化フィルムとメタリコン電極との接合部分が剥離することがなく、コンデンサとしての機能を保持することができるフィルムコンデンサを提供することを課題とする。

本発明に係るフィルムコンデンサは、誘電体フィルムと金属蒸着膜とからなる金属化フィルムが積層または巻回されて形成された金属化フィルム柱体および前記金属化フィルム柱体の電極取り出し面に形成されたメタリコン電極からなる金属化フィルム素子と、前記金属化フィルム素子が収容されるケースと、前記ケース内に収容された前記金属化フィルム素子を封止する、線膨張率が前記金属化フィルムよりも小さい封止材と、を有するフィルムコンデンサにおいて、前記金属化フィルムと前記メタリコン電極との接合強度は、前記封止材と前記メタリコン電極との接合強度よりも大きいことを特徴とする。

本発明に係るフィルムコンデンサにおいては、ケース内に金属化フィルム素子を収容して封止する封止材の線膨張率は、金属化フィルムの線膨張率よりも小さくなっている。その結果、高温から低温への温度変化があると、封止材が収縮する大きさは、金属化フィルムが収縮する大きさよりも小さくなるので、金属化フィルムが収縮しようとする収縮力は、金属化フィルムが封止材から離隔する方向に作用する。この金属化フィルムの収縮力は、金属化フィルムとメタリコン電極との接合部分および封止材とメタリコン電極との接合部分にも作用する。

本発明に係るフィルムコンデンサにおいては、金属化フィルムとメタリコン電極との接合強度が、封止材とメタリコン電極との接合強度よりも大きくなっているので、金属化フィルムの収縮力により、金属化フィルムとメタリコン電極との接合部分よりも封止材とメタリコン電極との接合部分の方が先に剥離する。封止材とメタリコン電極との接合部分が剥離すると、金属化フィルムの収縮力は消滅し、金属化フィルムとメタリコン電極との接合が維持される。その結果、高温から低温への温度変化があってもコンデンサとしての機能が保持される。

本発明によれば、高温から低温への温度変化があっても、金属化フィルムとメタリコン電極との接合部分が剥離することがなく、コンデンサとしての機能を保持することができるフィルムコンデンサを提供することができる。

本発明の実施形態に係るフィルムコンデンサの図であり、図１（ａ）は、フィルムコンデンサの分解斜視図を示し、図１（ｂ）は、フィルムコンデンサの断面図を示す。本発明の実施形態に係るフィルムコンデンサの金属化フィルム素子の断面図であり、図２（ａ）は、金属化フィルム素子のメタリコン電極の表面に離型剤を塗布した状態を示し、図２（ｂ）は、金属化フィルム素子のメタリコン電極の表面に粉体を塗布した状態を示す。本発明の実施形態に係るフィルムコンデンサの実施例および比較例におけるサンプルの概略の作製工程を説明する説明図。本発明の実施形態に係るフィルムコンデンサの実施例および比較例におけるサンプルの温度変化による効果を説明するグラフであり、図４（ａ）は、−４０℃から１２０℃に変化させたときの温度変化とコンデンサ容量との関係を示し、図４（ｂ）は、１２０℃から−４０℃に変化させたときの温度変化とコンデンサ容量との関係を示す。本発明の実施形態に係るフィルムコンデンサの実施例および比較例におけるサンプルの温度変化による効果を説明する説明図であり、図５（ａ）は、実施例のフィルムコンデンサの説明図を示し、図５（ｂ）は、比較例のフィルムコンデンサの説明図を示す。

本発明に係るフィルムコンデンサを適用した実施形態に係るフィルムコンデンサ１０の構成について図面を参照して説明する。

実施形態に係るフィルムコンデンサ１０は、図１（ａ）、図１（ｂ）に示すように、金属化フィルム素子２０と、ケース３０と、封止材４０とにより構成されている。フィルムコンデンサ１０は、金属化フィルム素子２０に電圧が印加されると金属化フィルム素子２０内に電荷を蓄えることができる所定の静電容量（Ｆ）、いわゆるコンデンサ容量を備えた受動素子からなる。

金属化フィルム素子２０は、金属化フィルム柱体２１と、メタリコン電極２２と、一対のバスバーなどの端子２３とにより構成されている。金属化フィルム柱体２１は、数万枚程度の多数の金属化フィルム３１が積層され、または数万回程度の多回数で金属化フィルム３１が巻回されて柱状に形成されている。

なお、説明の便宜上図１（ｂ）には、一対の金属化フィルム３１のみを示す。金属化フィルム３１は、フィルムの材質によっても異なるが所定の線膨張率（／℃）を有している。なお、線膨張率は（／Ｋ）でも表されるが、（／Ｋ）で表す場合には、［Ｋ］＝[℃]＋２７３．１５の関係にある。

金属化フィルム３１は、誘電体フィルム４１と、金属蒸着膜４２とを有している。誘電体フィルム４１は、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリエチレン・テレフタレート（ＰＥＴ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリエチレン・ナフタレート（ＰＥＮ）などの良好な耐湿性および電気特性を有する高分子フィルムからなる。誘電体フィルム４１は、２μｍ乃至４μｍ程度の厚みで形成されている。

金属蒸着膜４２は、高真空中で蒸着材料を加熱し気化、昇華させ気体分子となった蒸着材料を誘電体フィルム４１に衝突付着させる真空蒸着により形成された蒸着薄膜からなる。蒸着材料は、アルミニウム（Ａｌ）や亜鉛（Ｚｎ）などの良好な耐電圧特性を有する金属材料からなる。

なお、金属蒸着膜４２を真空蒸着以外のスパッタリングやイオンプレーティングなどの薄膜形成方法で形成してもよい。また、蒸着金属を複数の領域に分割し、分割した領域毎にヒューズを設け分割した領域で形成されるコンデンサ部を保護するようにしてもよい。このコンデンサ部に自己回復の限界を超え絶縁破壊が発生した場合、ヒューズが短絡電流により溶断され、他のコンデンサ部からこの領域のコンデンサ部を遮断するようにして他のコンデンサ部を保護するようにしてもよい。

メタリコン電極２２は、金属化フィルム柱体２１の一方端部の電極取り出し面２１ａと他方端部の電極取り出し面２１ｂに形成された一対の電極からなり、例えば溶解した金属微粒子を金属化フィルム柱体２１の一方端部および他方端部に吹き付けて表面で固化させるコーティング、いわゆる溶射金属による接合により形成される。

各メタリコン電極２２の表面には端子２３との結合を良好にする部材、例えばはんだ層が形成されており、各端子２３が各メタリコン電極２２の表面にそれぞれ電気的に固く接続されるようになっている。

端子２３は、一対のメタリコン電極２２にそれぞれ接合された導体からなり、メタリコン電極２２に接合された部分の反対側は、図１（ｂ）に示すように、ケース３０の側面から突出している。端子２３の突出した部分に電圧が印加されると、金属化フィルム素子２０に電圧が印加されるようになっている。

ケース３０は、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）またはポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）などの良好な耐湿性や難燃性を有する合成樹脂で形成されている。ケース３０は、図１（ａ）に示すように、外形状が直方体で一方の側面が開口されており、短側内壁３０ａと長側内壁３０ｂで囲まれた内空間３０ｃを有し、その内空間３０ｃに、金属化フィルム素子２０および端子２３の一部が収容される。

封止材４０は、エポキシ樹脂（ＥＰ）、ポリウレタン樹脂（ＰＵＲ）、シリコーン樹脂（ＳＩ）などの良好な絶縁性、耐熱性、耐湿性および熱伝導性を有する合成樹脂からなる。封止材４０の線膨張率は、金属化フィルム３１の線膨張率よりも小さくなっている。封止材４０は、ケース３０内に収容した金属化フィルム素子２０および端子２３の一部と短側内壁３０ａおよび長側内壁３０ｂとの間の内空間３０ｃに充填される。

金属化フィルム素子２０のメタリコン電極２２および端子２３の表面には、メタリコン電極２２および端子２３と封止材４０との接合強度を低下させる接合強度低下処理がなされている。

接合強度低下処理としては、例えば図２（ａ）に示すメタリコン電極２２および端子２３の表面自由エネルギー（ｍＪ／ｍ^２）を低下させる処理や、図２（ｂ）に示すメタリコン電極２２および端子２３の表面に粉体を塗布する処理が挙げられる。

表面自由エネルギーを低下させる処理は、封止材４０の凝集力よりも小さな凝集力を有する材料をメタリコン電極２２および端子２３の表面に塗布する処理からなる。なお、凝集力とは、液体や固体の原子またはイオン間に働く引力をいい、この引力により液体や固体は、凝集して一定の体積を保つことができる。

封止材４０の凝集力よりも小さな凝集力を有する材料として、炭素原子数の大きい鎖式モノカルボン酸からなる高級脂肪酸、一価または二価の高級アルコールとのエステルを指す融点の高い油脂状の物質からなるワックスおよびシロキサン結合による主骨格を持つ、合成高分子化合物からなるシリコーンなどの離型剤が挙げられる。

なお、これらの離型剤に防湿性がある場合には、メタリコン電極２２から金属化フィルム柱体２１への水分の浸入を防ぎ、高湿下での金属化フィルム柱体２１の耐久性を向上させることも可能となる。

表面自由エネルギー（ｍＪ／ｍ^２）は、固体などの物質の表面のエネルギーをいい、固体内部のいわゆるバルク分子は、周辺分子との相互作用で安定したバランスを保つが、表面分子は相手分子が少ないため不安定なバランスとなり、過剰なエネルギーを持つことになる。この過剰なエネルギーが表面自由エネルギーとなる。したがって、表面自由エネルギーが高いほど、相手側の気体や微粒子を吸着し易くなり、相手側の固体と付着し易くなる。この表面自由エネルギーを低下させることで、相互の接合強度を低下させることができる。

なお、接合強度は、接合部分の機械的な強度試験などで定量的かつ客観的に評価することもできる。例えば接合強度の評価方法として、ＩＳＯ規格による樹脂−金属接合特性評価試験や、試料に破断するまで制御された張力をかけ、試料の引張強度などの機械的性質を測定する引張試験、試料の両端を支えて中央に荷重を加える曲げ試験などが挙げられる。

メタリコン電極２２および端子２３の表面に粉体を塗布する処理においては、接合強度を低下させる粉体として、例えば二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）、いわゆるシリカが挙げられる。シリカをメタリコン電極２２および端子２３の表面に塗布することでメタリコン電極２２および端子２３が封止材４０と直接接合するのを妨げることができ、メタリコン電極２２と端子２３との接合強度を低下させることができる。

また、塗布する粉体に防湿性がある場合には、メタリコン電極２２から金属化フィルム柱体２１への水分の浸入を防ぐか、または水分の浸入を遅延させることで、高湿下での金属化フィルム柱体２１の耐久性を向上させることも併せて可能となる。

本実施形態に係るフィルムコンデンサ１０は、金属化フィルム３１とメタリコン電極２２との接合強度が、封止材４０とメタリコン電極２２との接合強度よりも大きくなるように、金属化フィルム３１とメタリコン電極２２との接合、封止材４０とメタリコン電極２２との接合がなされている。

具体的には、金属化フィルム３１とメタリコン電極２２との接合部分は、溶射金属による接合が行われるので強固に接合されている。他方、封止材４０とメタリコン電極２２との接合部分は、接合強度を低下させる接合強度低下処理がなされているので、接合強度は低下している。したがって、金属化フィルム３１とメタリコン電極２２との接合強度は、封止材４０とメタリコン電極２２との接合強度よりも大きくなっている。

以下、本実施形態に係るフィルムコンデンサ１０の実施例および比較例により、本発明に係るフィルムコンデンサについてさらに具体的に説明する。但し、本発明に係るフィルムコンデンサの技術的範囲は実施例に限定されるものではない。

＜実施例＞
実施例においては、フィルムコンデンサ１０のサンプルＢを作製する。サンプルＢは、まず、厚み３μｍのポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）からなる誘電体フィルム４１にアルミニウム（Ａｌ）などの金属を真空蒸着して金属化フィルム３１を作製する。作製した金属化フィルム３１を数万回巻回して金属化フィルム柱体２１を作製する。

次いで、作製された金属化フィルム柱体２１の電極取り出し面２１ａ、２１ｂにそれぞれ溶融金属を射出してメタリコン電極２２を電極取り出し面２１ａ、２１ｂに形成する。形成したメタリコン電極２２にそれぞれ端子２３を接続し、図３に示すように、金属化フィルム素子２０を作製する。

作製した金属化フィルム素子２０のメタリコン電極２２および端子２３の表面に、東レ・ダウコーニング社製の高真空用グリスＨＶＧ−５０からなる離型剤Ｒを塗布する。続いて、離型剤Ｒが塗布された金属化フィルム素子２０をケース３０に収容する。そして、ケース３０内に、エポキシ樹脂（ＥＰ）を主成分とするソマール社製のエピフォームＫ−８８７６からなる封止材４０を充填する。

ケース３０内に封止材４０を充填して封止材４０の脱泡を行ったのち、８５℃で１時間封止材４０を硬化させ、さらに９０℃で３時間封止材４０を硬化させてフィルムコンデンサ１０のサンプルＢを完成させる。

＜比較例＞
比較例においては、フィルムコンデンサ１０のサンプルＡを作製する。サンプルＡは、図３に示すように、金属化フィルム素子２０のメタリコン電極２２および端子２３の表面に、離型剤Ｒを塗布する処理を行わない点がサンプルＢと異なっている。サンプルＡは、この離型剤Ｒの塗布処理を除いて、サンプルＢと同様に作製され、サンプルＡを完成させる。

＜サンプルの評価＞
完成したサンプルＢおよびサンプルＡを所定温度の高温槽に投入し、サンプルＢおよびサンプルＡの各構成要素が膨張することで発生する単位面積当たりの力で表される膨張応力（Ｎ／ｍｍ^２）、または各構成要素が収縮することで発生する収縮応力（Ｎ／ｍｍ^２）を各構成要素に生じさせてサンプルＢおよびサンプルＡを評価する。

具体的には、サンプルＢおよびサンプルＡのそれぞれを−４０℃の低温槽に所定時間だけ投入したのち、１２０℃の高温槽に所定時間だけ投入し、サンプルＢおよびサンプルＡの各構成要素に膨張応力を生じさせて、サンプルＢおよびサンプルＡをそれぞれ高温槽から取り出してサンプルＢおよびサンプルＡを評価する。

また、サンプルＢおよびサンプルＡのそれぞれを１２０℃の高温槽に所定時間だけ投入したのち、−４０℃の低温槽に所定時間だけ投入し、サンプルＢおよびサンプルＡの各構成要素に収縮応力を生じさせて、サンプルＢおよびサンプルＡをそれぞれ低温槽から取り出してサンプルＢおよびサンプルＡを評価する。

取り出したサンプルＢおよびサンプルＡのそれぞれに対して、公知の電気特性試験で静電容量（μＦ）、いわゆるコンデンサ容量を求めサンプルＢおよびサンプルＡを評価する。サンプルＢおよびサンプルＡの−４０℃から１２０℃への温度変化の場合、図４（ａ）に示すように、サンプルＢおよびサンプルＡの双方とも、−４０℃ではコンデンサ容量がほぼ２５μＦであり、１２０℃でも、コンデンサ容量がほぼ２５μＦで、大きな変化は見られなかった。

サンプルＢおよびサンプルＡは−４０℃から１２０℃への温度変化を加えても、良好な電気特性を有しておりコンデンサの機能が保持されていた。したがって、少なくともサンプルＢおよびサンプルＡの金属化フィルム３１とメタリコン電極２２との接合部分で剥離などの損傷は発生していないと評価できる。

−４０℃から１２０℃への温度変化の場合、金属化フィルム３１の線膨張率（／℃）が封止材４０の線膨張率よりも大きくなっているので、金属化フィルム３１の膨張が大きいのに対して、封止材４０の膨張は小さい。

したがって、金属化フィルム３１とメタリコン電極２２との接合部分は、互いに押し合う圧縮力が作用し、この圧縮力は、メタリコン電極２２と封止材４０との接合部分にも作用する。その結果、金属化フィルム３１とメタリコン電極２２との接合部分およびメタリコン電極２２と封止材４０との接合部分に剥離が生ずることはないと考えられる。

一方、１２０℃から−４０℃への温度変化の場合、図４（ｂ）に示すように、サンプルＢは、１２０℃ではコンデンサ容量がほぼ２５μＦであり、−４０℃でも、コンデンサ容量がほぼ２５μＦで、大きな変化は見られなかった。

その結果、サンプルＢは、１２０℃から−４０℃への温度変化の場合、良好な電気特性を有しておりコンデンサの機能が保持されていることが分かる。したがって、サンプルＢの少なくとも金属化フィルム３１とメタリコン電極２２との接合部分で剥離などの損傷は発生していないと評価できる。

サンプルＢに１２０℃から−４０℃への温度変化を加えても、良好な電気特性を有するのは、金属化フィルム３１とメタリコン電極２２との接合強度が、封止材４０とメタリコン電極２２との接合強度よりも大きくなっているからであると評価できる。

サンプルＢの温度が、１２０℃から−４０℃へ変化すると、金属化フィルム３１の線膨張率（／℃）が封止材４０の線膨張率よりも大きくなっているので、金属化フィルム３１の収縮が大きいのに対して、封止材４０の収縮は小さい。したがって、金属化フィルム３１とメタリコン電極２２との接合部分は、互いに引き合う引張力が作用し、引張力はメタリコン電極２２と封止材４０との接合部分にも作用する。

この引張力により、接合強度の比較的小さいメタリコン電極２２と封止材４０との接合部分が金属化フィルム３１とメタリコン電極２２との接合部分よりも先に剥離する。この剥離により、引張力は消滅し、金属化フィルム３１とメタリコン電極２２との接合が維持される。

サンプルＢは、図５（ａ）に示すように、メタリコン電極２２と封止材４０との接合部分に剥離が生じているが、金属化フィルム３１とメタリコン電極２２との接合部分に剥離が生じていないと評価することができる。

これに対し、サンプルＡに１２０℃から−４０℃への温度変化を加えた場合、図４（ｂ）に示すように、１２０℃では、サンプルＡはサンプルＢと同様、コンデンサ容量がほぼ２５μＦであるが、−４０℃では、サンプルＡはコンデンサ容量が約１０μＦに低下している。

約１０μＦのコンデンサ容量では、フィルムコンデンサとしての適正な電気特性が得られない。したがって、少なくともサンプルＡの金属化フィルム３１とメタリコン電極２２との接合部分での導通がとれておらず、この接合部分が剥離していることが分かる。

１２０℃から−４０℃への温度変化の場合、サンプルＡは、メタリコン電極２２と封止材４０との接合部分に離型剤Ｒが塗布されていないので、金属化フィルム３１とメタリコン電極２２との接合強度が、封止材４０とメタリコン電極２２との接合強度よりも大きくなっていないと考えられる。

１２０℃から−４０℃への温度変化を加えると、サンプルＡは、サンプルＢと同様、金属化フィルム３１とメタリコン電極２２との接合部分に、互いに引き合う引張力が作用し、メタリコン電極２２と封止材４０との接合部分にも作用する。

この引張力により、図５（ｂ）に示すように、接合強度の比較的小さい金属化フィルム３１とメタリコン電極２２との接合部分がメタリコン電極２２と封止材４０との接合部分よりも先に剥離してしまう。この剥離は、サンプルＡの温度が１２０℃の高温から−４０℃の低温に変化する際、封止材４０の線膨張率が金属化フィルム３１よりも小さく、封止材４０の収縮が金属化フィルム３１の収縮よりも小さいので、封止材４０の収縮が金属化フィルム３１の収縮に追従することができないために生ずると考えられる。その結果、サンプルＡの金属化フィルム３１とメタリコン電極２２との接合部分の剥離によりサンプルＡのコンデンサ容量が低下してしまうと考えられる。

実施例および比較例で説明したように、本実施形態に係るフィルムコンデンサ１０は、
金属化フィルム３１とメタリコン電極２２との接合強度が、封止材４０とメタリコン電極２２との接合強度よりも大きくなっているので、高温から低温への温度変化があっても、金属化フィルム３１とメタリコン電極２２との接合部分が剥離することがなく、コンデンサとしての機能を保持することができるという効果が得られる。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

１０・・・フィルムコンデンサ、２０・・・金属化フィルム素子、２１・・・金属化フィルム柱体、２１ａ、２１ｂ・・・電極取り出し面、２２・・・メタリコン電極、２３・・・端子、３０・・・ケース、３０ａ・・・短側内壁、３０ｂ・・・長側内壁、３０ｃ・・・内空間、３１・・・金属化フィルム、４０・・・封止材、４１・・・誘電体フィルム、４２・・・金属蒸着膜

Claims

誘電体フィルムと金属蒸着膜とからなる金属化フィルムが積層または巻回されて形成された金属化フィルム柱体および前記金属化フィルム柱体の電極取り出し面に形成されたメタリコン電極からなる金属化フィルム素子と、前記金属化フィルム素子が収容されるケースと、前記ケース内に収容された前記金属化フィルム素子を封止する、線膨張率が前記金属化フィルムよりも小さい封止材と、を有するフィルムコンデンサにおいて、
前記メタリコン電極の表面に二酸化ケイ素の粉体が塗布されており、
前記金属化フィルムと前記メタリコン電極との接合強度は、前記封止材と前記メタリコン電極との接合強度よりも大きいことを特徴とするフィルムコンデンサ。