JP2015170779A - 積層型フィルムコンデンサ、コンデンサモジュール、および電力変換システム - Google Patents

Abstract

【課題】内部電極間での短絡の防止と、静電容量の増加と、を両立できる積層型フィルムコンデンサを提供する。
【解決手段】積層型フィルムコンデンサ１００は、フィルム１０ａ、２０ａと、フィルム１０ａ、２０ａよりも薄いフィルム１０ｂ、２０ｂと、の厚さの異なる２種類のフィルムを備える。積層方向の中央部を含む第１のブロック３０Ａ（６〜１１層目）は、フィルム１０ａ、２０ａが交互に複数層積層された領域である。積層方向の端部を含む第２のブロック３０Ｂ（１〜５層目、１２〜１６層目）は、フィルム１０ｂ、２０ｂが交互に複数層積層された領域である。第１のブロック３０Ａの積層方向の上端と下端に、第２のブロック３０Ｂが配置されて積層体３０が構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、積層型フィルムコンデンサ、コンデンサモジュール、および電力変換システムに関する。

コンデンサの一種として、積層型フィルムコンデンサがある。積層型フィルムコンデンサでは、高温での使用時に、誘電体フィルムで絶縁破壊が起こり、両内部電極間が短絡することがある。

このような短絡を避けるためには、高温時でも絶縁破壊が生じないような、十分な厚さの誘電体フィルムを使用しなければならない。

一方、所定のサイズの積層型フィルムコンデンサで、その静電容量を大きくするためには、積層数を大きくする必要があるため、誘電体フィルムの厚さはできるだけ薄い方が望ましい。

積層型フィルムコンデンサの誘電体フィルムの厚さは、両者のバランスを考慮して決定される。特許文献１に開示された積層型フィルムコンデンサは、このような例である。

一方、特許文献２に開示された積層型フィルムコンデンサは、内部電極が形成される２種類の厚さの誘電体フィルムを巻回して交互に積層して形成される。２種類の誘電体フィルムは、一方が他方の１．２倍以上の厚さを備える。

上記の２種類の誘電体フィルムを備える積層型フィルムコンデンサでは、少なくとも膜の一方を厚くすることにより、複数の層にわたって同一箇所が破壊する貫通型破壊を防止している。

国際公開第２０１１／０５５５１７号 特公平７−７０４１８号公報

特許文献１に開示された積層型フィルムコンデンサの場合は、誘電体フィルムが厚くなるためコンパクトに積層数を増やすことが難しく静電容量の増加は容易ではない。

特許文献２に開示された積層型フィルムコンデンサの場合は、比較的コンパクトに積層数をある程度増やすことができ、その分静電容量は増加する。

しかし、特許文献２でも、薄い方の誘電体フィルムを介して両内部電極間で短絡が発生してしまう。

本発明はかかる実情に鑑みてなされたものであり、内部電極間での短絡の防止と、静電容量の増加と、を両立できる積層型フィルムコンデンサを提供することを目的とする。

本発明の第１の観点に係る積層型フィルムコンデンサは、誘電体フィルム上に第１の内部電極が形成されたフィルムと、誘電体フィルム上に第２の内部電極が形成されたフィルムとが、交互に複数層積層された積層体と、前記第１の内部電極に接続された第１の電極と、前記第２の内部電極に接続された第２の電極とを備える積層型フィルムコンデンサであって、前記積層体の積層方向の両端部のそれぞれの層に配置される誘電体フィルムは、積層方向の一方の端部の層と他方の端部の層との間の中央部の層に配置される誘電体フィルムよりも薄い、ことを特徴とする。

隣り合う２つの層の誘電体フィルムにおいて、前記中央部の層に近い層の誘電体フィルムは、前記積層方向の端部に近い誘電体フィルムの厚さ以上の厚さを有し、前記中央部の層に配置される誘電体フィルムよりも薄い厚さの前記誘電体フィルムは、使用される層における使用時の最高温度での絶縁性が、前記中央部の層における使用時の最高温度での前記中央部の層の前記誘電体フィルムの絶縁性を下回らない厚さであってもよい。

前記積層体は、積層方向に連続する複数のフィルムを１ブロックとする複数のブロックで構成され、前記ブロック内の誘電体フィルムは同じ厚さであってもよい。

本発明の第２の観点に係るコンデンサモジュールは、本発明の第１の観点に係る１個以上の積層型フィルムコンデンサと、前記１個以上の積層型フィルムコンデンサを収納する容器と、前記第１の電極と接触され、その一部が前記容器外に引き出された第１の外部電極と、前記第２の電極と接触され、その一部が前記容器外に引き出された第２の外部電極と、前記容器内に充填され、前記積層型フィルムコンデンサを封止する封止材と、を備える、ことを特徴とする。

本発明の第３の観点に係る電力変換システムは、直流電力と交流電力の一方を他方に変換する電力変換システムであって、直流電圧に重畳するサージを低減するための平滑用コンデンサとして、第１の観点に係る積層型フィルムコンデンサ、または第２の観点に係るコンデンサモジュールの少なくとも一方が用いられる、ことを特徴する。

本発明によれば、内部電極間での短絡の防止と、静電容量の増加と、を両立できる積層型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積層型フィルムコンデンサを示す断面図である。 実施形態に係る積層型フィルムコンデンサの各層の誘電体フィルムの厚さを２種類として、その厚さを切り替える積層方向の位置の設定を説明する図である。（ａ）は、積層型フィルムコンデンサ使用時における各層の最高温度についての積層方向の温度分布の一例を示すグラフであり、（ｂ）は、積層体の積層方向の位置における誘電体フィルムの絶縁性を示すグラフである。 実施形態に係る積層型フィルムコンデンサの各層の誘電体フィルムの厚さを３種類として、その厚さを切り替える積層方向の位置の設定を説明する図である。（ａ）は、積層型フィルムコンデンサ使用時における各層の最高温度についての積層方向の温度分布の一例を示すグラフであり、（ｂ）は、積層体の積層方向の位置における誘電体フィルムの絶縁性を示すグラフである。 実施形態に係る積層型フィルムコンデンサの内部電極形成工程と切断工程を説明する図である。 実施形態に係る積層型フィルムコンデンサの切断されたフィルムを示す平面図である。 実施形態に係る積層型フィルムコンデンサの積層工程、およびメタリコン処理工程を示す断面図である。 （ａ）は、外部電極を取り付けた実施形態に係る積層型フィルムコンデンサの斜視図である。（ｂ）は、（ａ）に示す積層型フィルムコンデンサを使用したコンデンサモジュールの断面図である。 （ａ）は、外部電極を取り付けた３個の実施形態に係る積層型フィルムコンデンサの斜視図である。（ｂ）は、（ａ）に示す積層型フィルムコンデンサを使用したコンデンサモジュールの断面図である。 実施形態に係る積層型フィルムコンデンサを用いた電力変換システムを示す回路ブロック図である。

以下、本発明の実施形態に係る積層型フィルムコンデンサ、コンデンサモジュール、及び電力変換システムについて、図面を参照しながら説明する。なお、理解を容易にするため、各図において、積層型フィルムコンデンサ１００の誘電体フィルム１の厚さ方向をＺ軸、Ｚ軸に直交する一方の軸をＸ軸、Ｚ軸に直交する他方の軸をＹ軸とする直交座標を設定し、適宜参照する。

（実施形態）
図１に例示したように、本発明の実施形態に係る積層型フィルムコンデンサ１００は、フィルム１０ａ、２０ａと、フィルム１０ａ、２０ａよりも薄いフィルム１０ｂ、２０ｂの厚さの異なる２種類のフィルムを備える。フィルム１０ａとフィルム２０ａは同じ厚さを有し、フィルム１０ｂとフィルム２０ｂは同じ厚さを有する。積層方向の中央部を含む第１のブロック３０Ａ（６〜１１層目）は、フィルム１０ａ、２０ａが交互に複数層積層された領域である。積層方向の端部を含む第２のブロック３０Ｂ（１〜５層目、１２〜１６層目）は、フィルム１０ｂ、２０ｂが交互に複数層積層された領域である。第１のブロック３０Ａの積層方向の上端と下端に、第２のブロック３０Ｂが配置されて積層体３０が構成される。第１のブロック３０Ａと第２のブロック３０Ｂの境界位置では、第１のブロック３０Ａ側にフィルム１０ａが配置される場合には、第２のブロック３０Ｂ側にフィルム２０ｂが配置される。一方で、第１のブロック３０Ａ側にフィルム２０ａが配置される場合には、第２のブロック３０側にフィルム１０ｂが配置される。積層方向の中央部（８層目）に配置されるフィルムは、積層方向の端部に配置されるフィルム（１層目と１６層目）よりも厚い。また、隣り合うフィルムは、第１のブロック３０Ａ内及び第２のブロック３０Ｂ内では同じ厚さであり、第１のブロック３０Ａと第１のブロック３０Ｂとの境界（例えば、５層目と６層目）では、中央部に近い６層目のフィルム１０ａは、端部に近い５番目のフィルム２０ｂよりも厚い。

積層体３０のＸ方向に直交する両端面には、メタリコン部４（第１の電極）及びメタリコン部５（第２の電極）が形成される。フィルム１０ａは、誘電体フィルム１ａの表面に金属膜を第１の内部電極２として備え、フィルム２０ａは、誘電体フィルム１ａの表面に金属膜を第２の内部電極３として備える。また、フィルム１０ｂは、誘電体フィルム１ｂの表面に金属膜を第１の内部電極２として備え、フィルム２０ｂは、誘電体フィルム１ｂの表面に金属膜を第２の内部電極３として備える。金属膜の厚さは、通常いずれも同じである。

誘電体フィルム１ａ、１ｂは、それぞれ厚さＴ_０、Ｔ_１を有し、その大小関係は、Ｔ_０＞Ｔ_１である。ここで、誘電体フィルムの絶縁性は、温度の上昇に伴って低下する。そして、積層体３０の温度分布は、積層方向の中央部が最高温度になり、該中央部に配置された誘電体フィルム１ａの絶縁性が最も低い。そのため、フィルム厚Ｔ_０は、積層方向の中央部において、絶縁性の程度を示す値がｇ_０またはそれ以上になる厚さに設定される。ｇ_０は、製品として必要な絶縁性の程度を示す値よりも高い値である。以下では、絶縁性とは、絶縁の程度を示す値であるとする。例えば、絶縁破壊の生じる電界強度である耐電圧である。図１において、誘電体フィルム１ａ、１ｂの厚さの差、及び第１及び第２の内部電極２、３の厚さは、本発明の内容を理解し易くするために、強調して図示されている。なお、積層体３０の積層方向（Ｚ方向）の上端と下端の誘電体フィルムは、内部電極の絶縁および保護のために配置されるものである。そのため、コンデンサを保護できる厚さを有していれば十分であり、誘電体フィルム１ａ、１ｂのいずれをも用いることができる。

誘電体フィルム１ａ、１ｂは、ポリエチレンテレフタレート（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ、ＰＥＴ）、ポリプロピレン（ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ、ＰＰ）、ポリフェニレンサルファイド（ｐｏｌｙｐｈｅｎｙｌｅｎｅ ｓｕｌｆｉｄｅ、ＰＰＳ）、ポリエチレンナフタレート（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｎａｐｈｔｈａｌａｔｅ、ＰＥＮ）、マイカ、ポリスチレン（ｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅ、ＰＳ）、ポリカーボネート（ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ、ＰＣ）などの誘電体材料のいずれかで形成される。誘電体フィルム１ａ、１ｂは、１枚又は複数枚のフィルムを重ねて構成されてもよい。

第１の内部電極２及び第２の内部電極３は、アルミニウム（Ａｌ）、亜鉛（Ｚｎ）などの金属を材料として真空蒸着により誘電体フィルム１上に形成されるか、あるいは金属箔で形成される。

メタリコン部４は、第１の内部電極２のそれぞれと電気的に接続され、メタリコン部５は、第２の内部電極３とそれぞれ電気的に接続される。メタリコン部４、５は、溶射材である亜鉛（Ｚｎ）、銅（Ｃｕ）、又はアルミニウム（Ａｌ）などを積層体３０のＸ方向に直交する端面にそれぞれ溶射して形成される。

次に、実施例により、実施形態に係る積層型フィルムコンデンサの性能を説明する。

以下の表１は、各種の厚さのポリプレン（ＰＰ）製の誘電体フィルムを用いて構成した積層型フィルムコンデンサについて、電界強度を２００Ｖ／ｍとしたときの、静電容量の相対値（表では静電容量比で示す）と、耐熱性をシミュレートした結果を示したものである。

実施例は、第１のブロック３０Ａに配置する誘電体フィルムのフィルム厚Ｔ_０を３．０μｍ、誘電体フィルムの積層枚数を４０００枚にし、第２のブロック３０Ｂに配置する誘電体フィルムのフィルム厚Ｔ_１を２．５μｍ、第１のブロック３０Ａの積方方向の両端に配置された各ブロックの誘電体フィルムの積層枚数をそれぞれ１２００枚ずつ、計２４００枚にした。

比較例１では、フィルム厚Ｔ_０及びＴ_１をそれぞれ３．０μｍにし、第１のブロック３０Ａの誘電体フィルムの積層枚数を４０００枚、第２のブロックの誘電体フィルムの積層枚数を２０００枚にした。

比較例２では、フィルム厚Ｔ_０及びＴ_１をそれぞれ２．８μｍにし、第１のブロック３０Ａの誘電体フィルムの積層枚数を４２８５枚、第２のブロックの誘電体フィルムの積層枚数を２１４３枚にした。

各誘電体フィルムは同じ面積であり、同じ面積と厚さの内部電極が、各誘電体フィルムに形成される。比較例１の誘電体フィルムの厚さは、例えば、電気自動車等に積載される積層型フィルムコンデンサで、通常使用される誘電体フィルムの厚さである。また、実施例および比較例１の積層体３０の積層高さ（フィルム厚と誘電体フィルムの積層枚数の積）は１８０００μｍであり、比較例２の積層体３０の積層高さは１７９９８μｍなので、実施例、比較例１および比較例２の積層体３０の容積（誘電体フィルムの面積と積層高さとの積）は、ほぼ同じである。つまり、実施例、比較例１および比較例２は、容積が略同一の試験体を用いている。

表１の静電容量比とは、比較例１に係る積層型フィルムコンデンサの静電容量を基準値として１としたときの各例の積層型コンデンサの静電容量の相対値を示したものである。静電容量比は、内部電極の面積を同じにしたとき、フィルム厚の違いによる内部電極間隔と積層数の違いに基づき算定される。また、ここで言う耐熱性とは、フィルム厚Ｔ_０のＰＰ製の誘電体フィルムにおいて、絶縁破壊が生じない上限温度のことである。

比較例１に係る積層型フィルムコンデンサと比べると、実施例に係る積層型フィルムコンデンサは、耐熱性が同じで、静電容量を１５％向上できる。耐熱性が同じになるのは、実施例と比較例１では、第１のブロック３０Ａの誘電体フィルムのフィルム厚Ｔ_０が同じだからである。また、静電容量が向上するのは、第２のブロック３０Ｂの誘電体フィルムのフィルム厚Ｔ_１は、実施例の場合の方が比較例１の場合よりも薄いので、単一層当たりの静電容量がフィルム厚に反比例して大きくなる上、第２のブロック３０Ｂの誘電体フィルムの積層枚数を多くできるからである。なお、後述する理由により、積層体３０の耐熱性は、フィルム厚Ｔ_０の誘電体フィルムについて議論すれば十分である。

また、実施例に係る積層型フィルムコンデンサは、比較例２に係る積層型フィルムコンデンサと比べると、静電容量は同一で、耐熱性が向上する。耐熱性が向上するのは、使用時に最高温度になる積層方向の中央部を含む第１のブロック３０Ａの誘電体フィルムのフィルム厚Ｔ_０が、実施例の場合の方が比較例２の場合よりも厚いからである。また、静電容量が同一となるのは、耐熱性を向上させるために比較例２より厚くした第１のブロック３０Ａの誘電体フィルムのフィルム厚Ｔ_０に起因して、第１のブロック３０Ａにおいて低下した静電容量を、比較例２より薄い誘電体フィルムから構成される第２のブロック３０Ｂで補填できるからである。

この結果から、実施例に係る積層型フィルムコンデンサでは、比較例１と比べると、静電容量が大きくなる。また、耐熱性を維持して絶縁破壊が原因となる内部電極間の短絡を防止できるので、その信頼性を保つことができる。一方で、比較例２の様に、静電容量の増加のみを優先させると耐熱性が大幅に低下し、絶縁破壊が生じる虞があるので、信頼性が犠牲になる。

上記の比較により、実施形態に係る積層型コンデンサは、内部電極間での短絡の防止と、静電容量の増加とを両立できる優れた性能を有することが確認された。

次に、図２を参照しながら、フィルム厚Ｔ_０の誘電体フィルム１ａとフィルム厚Ｔ_１の誘電体フィルム１ｂとの積層体３０内での切り替え位置の設定について説明する。

以下では、フィルム厚Ｔ_０とＴ_１の値を予め定め、積層体３０の積層方向の中央部（図２のＬ_０の位置）の層でのフィルム厚Ｔ_０の誘電体フィルム１ａの絶縁性を示す値ｇ_０と、フィルム厚Ｔ_１の誘電体フィルム１ｂの絶縁性とが等しくなる積層体３０の積層方向の位置を求める方法について述べる。フィルム厚Ｔ_０は、Ｌ_０の位置の層に配置された誘電体フィルム１ａの絶縁性が、ｇ_０またはそれ以上の値になる厚さに設定される。フィルム厚Ｔ_１は、Ｔ_０よりも小さい値に設定される。

誘電体フィルム１ａと誘電体フィルム１ｂとを切り替える積層体３０の積層方向の位置を設定するために、図２に示すグラフを用いる。図２（ａ）に示すグラフは、積層型フィルムコンデンサ使用時における各層の温度についての積層方向の温度分布を示す。図２（ｂ）に示すグラフは、図２（ａ）に示す各積層体の積層方向の位置における各層の温度に対する、フィルム厚Ｔ_０とＴ_１の誘電体フィルムのそれぞれの絶縁性を示す。ここで、図２（ａ）では、Ｘ軸を積層体の積層方向の位置とし、Ｙ軸を積層体の各層の最高温度としている。また、図２（ｂ）では、Ｘ軸を積層体の積層方向の位置とし、Ｙ軸を各誘電体フィルムの絶縁性としている。図２（ｂ）において、実線で描かれた曲線は、フィルム厚Ｔ_０の誘電体フィルム１ａに対応するものであり、破線で描かれた曲線は、フィルム厚Ｔ_１の誘電体フィルム１ｂに対応するものである。

図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、積層体の各層の最高温度が高くなると絶縁性は低下する。また、積層体３０の積層方向の温度分布は、積層厚さを共通にした場合、積層体３０を構成する誘電体フィルムの積層枚数によらず略一定である。積層体３０の積層方向の温度分布は、例えば、積層型フィルムコンデンサ１００をフィルム厚Ｔ_０の誘電体フィルム１ａのみで構成したときの、各誘電体フィルム１ａの最高温度の評価値をプロットして求める。積層体３０は、積層方向に略対称に構成されるので、図２（ａ）に示す、積層体３０の積層方向の温度分布を示す曲線は、Ｘ＝Ｌ_０に対して略対称な形状になる。

図２（ａ）に示す曲線は、積層体３０内の内部電極や、メタリコン部に流れるリップル電流に起因して発生するジュール熱、および積層体３０の構造を決定する因子（誘電体フィルムの大きさ、および厚さなど）に基づいて求められる。

図２（ｂ）に示す、実線および破線で描かれた曲線は、図２（ａ）に示す、積層体３０の積層方向の温度分布を元に、誘電体フィルム１ａのフィルム厚Ｔ_０および誘電体フィルム１ｂのフィルム厚Ｔ_１における各層の温度でのそれぞれの誘電体フィルムの絶縁性に基づき求められる。図２（ｂ）に示す、実線および破線で描かれた曲線は、図２（ａ）の曲線と同様に、Ｘ＝Ｌ_０に対して略対称な形状になる。図２（ｂ）に破線で示す曲線は、フィルム厚Ｔ_１を厚くすればＹ軸の上方にシフトし、薄くすればＹ軸の下方にシフトする。また、フィルム厚Ｔ_１は、誘電体フィルム１ｂの絶縁性が、積層体３０内において、Ｌ_０の位置の層の誘電体フィルム１ａの絶縁性を示す値ｇ_０を下回らない値を有する厚さに設定される。換言すれば、フィルム厚Ｔ_１は、図２（ｂ）において、破線で示す曲線が、Ｙ＝ｇ_０となる点を通るような厚さ以上の厚さを有するように設定される。

以下、図２（ａ）および図２（ｂ）を用いて、積層体３０内での、誘電体フィルム１ａと誘電体フィルム１ｂとの切り替え位置を設定する方法を具体的に説明する。

誘電体フィルム１ａと誘電体フィルム１ｂとの切り替え位置は、図２（ｂ）に破線で示す、誘電体フィルム１ｂの絶縁性を示す曲線において、絶縁性（Ｙ軸の値）を示す値がｇ_０になる点を求めることにより設定できる。具体的には、まず、図２（ｂ）に一点鎖線で示すように、（Ｌ_０，ｇ_０）となる点（図中の黒丸の点）を通るＸ軸に平行な直線（または実線で示す曲線の接線）を引いて、該直線と破線で示す曲線との交点（図中の白丸の点）を求める。次に、このときの交点のＸの値Ｌ_１、Ｌ_２に最も近く、かつ絶縁性がｇ_０を下回らない層を求める。最後に、この層を、積層体３０内において、誘電体フィルム１ａから誘電体フィルム１ｂに切り替える層、すなわち、切り替え位置に設定する。前述のように、フィルム厚Ｔ_１の値に応じて、破線で示す曲線は、Ｙ軸方向にシフトするので、誘電体フィルム１ａと誘電体フィルム１ｂとを切り替える位置は変わる。なお、破線の曲線は略対称なので、当然のことながら、Ｌ_０とＬ_１との差、およびＬ_２とＬ_０との差は略同じになる。

このようにして求めた切り替え位置のそれぞれの、積層体３０の中央部（Ｘ＝Ｌ_０）に対して外側の範囲（Ｘ≦Ｌ_１、Ｘ≧Ｌ_２）の層に、フィルム厚Ｔ_１の誘電体フィルム１ｂを配置する。また、Ｌ_１とＬ_２の間（Ｌ_１＜Ｘ＜Ｌ_２）の層に、フィルム厚Ｌ_０の誘電体フィルム１ａを配置する。

このように、フィルム厚の異なる２種類の誘電体フィルム（フィルム厚Ｔ_０、Ｔ_１）を用いて積層体３０を構成した場合、第２のブロック３０Ｂ内に配置された誘電体フィルム１ｂ（フィルム厚Ｔ_１）間で構成されたコンデンサの静電容量は、誘電体フィルム１ａ（フィルム厚Ｔ_０）を配置していたときと比べ、積層数が増える効果（Ｔ_０／Ｔ_１）と、電極間距離が小さくなる効果（Ｔ_０／Ｔ_１）により、（Ｔ_０／Ｔ_１）^２倍になる。

上述の説明では、第２のブロック３０Ｂの積層数を変えても、温度分布は変化しないと近似して、位置Ｌ_１、Ｌ_２を求めた。なお、このようにして求めたＬ_１、Ｌ_２と、第１のブロック３０Ａの誘電体フィルム１ａのフィルム厚Ｔ_０および第２のブロック３０Ｂの誘電体フィルム１ｂのフィルム厚Ｔ_１に基づき、Ｌ_１、Ｌ_２の位置における温度を詳細に評価し、Ｌ_１、Ｌ_２の位置に問題がないことを確認してもよい。その場合は、求めた温度分布に基づき、Ｌ_１、Ｌ_２の位置を修正してもよい。

ここで、Ｔ_１を種々の値に変えて、上記処理を実行することにより、各種フィルム厚Ｔ_１の誘電体フィルム１ｂに対して、切り替え位置を設定できる。なお、Ｌ_１、Ｌ_２は、積層体３０の積層方向の範囲に含まれなければならないので、あまり薄いフィルム厚をＴ_１とすることはできない。

これまでは、厚さの異なる２種類の誘電体フィルムを使用するときの、２種類の誘電体フィルムの切り替え位置を設定する方法と各誘電体フィルムを配置する範囲とを説明したが、３種類以上の厚さの異なる誘電体フィルムを用いるときも同様にして、各誘電体フィルムの切り替え位置と配置する範囲とを設定できる。以下、図３を参照して、３種類の誘電体フィルムを用いる場合について説明する。

２種類の誘電体フィルム１ａ、１ｂで説明した場合と同様に、３種類の誘電体フィルムのフィルム厚をＴ_０、Ｔ_１、およびＴ_２とする。フィルム厚Ｔ_０とＴ_１は、先に説明したのと同じ値に設定される。フィルム厚Ｔ_２は、フィルム厚Ｔ_１よりもさらに小さい値に設定される。つまり、Ｔ_０、Ｔ_１、およびＴ_２の大小関係は、Ｔ_０＞Ｔ_１＞Ｔ_２になる。

ここで、図３（ａ）は、図２（ａ）に示すグラフと同じである。また、図３（ｂ）において、実線および破線で示す曲線は、図２（ｂ）の実線および破線で示す曲線と同じであり、二点鎖線で示す曲線は、フィルム厚Ｔ_２の誘電体フィルムに対応するものである。図３（ｂ）の一点鎖線で示す直線、黒丸の点、および白丸の点は、図２（ｂ）に示すのと同じである。ここで、二点鎖線で示す曲線も、実線および破線で示す曲線と同様に、Ｘ＝Ｌ_０に対して略対称な形状である。Ｔ_２＜Ｔ_１なので、この二点鎖線のグラフは、破線のグラフよりも下方に位置することになる。二点鎖線で示す曲線も、フィルム厚Ｔ_１の誘電体フィルムと同様に、フィルム厚Ｔ_２の厚さに応じて、Ｙ軸の上方または下方にシフトする。なお、フィルム厚Ｔ_２も、フィルム厚Ｔ_２の絶縁性が、積層体３０内において、Ｌ_０の位置の層の誘電体フィルムの絶縁性を示す値ｇ_０を下回らない値を有する厚さに設定される。

フィルム厚Ｔ_０の誘電体フィルムとフィルム厚Ｔ_１の誘電体フィルムとの切り替え位置（以下、第１の切り替え位置という）は、図２（ｂ）で説明したのと同じになる。また、フィルム厚Ｔ_１の誘電体フィルムとフィルム厚Ｔ_２の誘電体フィルムとの切り替え位置（以下、第２の切り替え位置という）は、第１の切り替え位置と同様にして求める。具体的には、まず、一点鎖線で示す直線と、二点鎖線で示す曲線との交点（図中の二重丸の点）を求める。次に、このときの交点のＸの値Ｌ_３、Ｌ_４に最も近く、かつ絶縁性を示す値がｇ_０を下回らない層を求める。最後に、この層を、積層体３０内において、フィルム厚Ｔ_１の誘電体フィルムからフィルム厚Ｔ_２の誘電体フィルムに切り替える層、つまり、第２の切り替え位置に設定する。前述のように、フィルム厚Ｔ_２の値に応じて、二点鎖線で示す曲線は、Ｙ軸方向にシフトするので、フィルム厚Ｔ_１の誘電体フィルムとフィルム厚Ｔ_２の誘電体フィルムとを切り替える位置は変わる。なお、二点鎖線の曲線は略対称なので、当然のことながら、Ｌ_０とＬ_３との差、およびＬ_４とＬ_０との差は略同じになる。

このようにして求めた第２の切り替え位置のそれぞれの、積層体３０の中央部（Ｘ＝Ｌ_０）に対して外側の範囲（Ｘ≦Ｌ_３、Ｘ≧Ｌ_４）の層に、フィルム厚Ｔ_２の誘電体フィルムを配置する。また、Ｌ_３とＬ_１の間、およびＬ_２とＬ_４の間（Ｌ_３＜Ｘ≦Ｌ_１、Ｌ_２≦Ｘ＜Ｌ_４）の層に、フィルム厚Ｔ_１の誘電体フィルムを配置する。さらに、Ｌ_１とＬ_２の間（Ｌ_１＜Ｘ＜Ｌ_２）の層に、フィルム厚Ｔ_０の誘電体フィルムを配置する。

このように、フィルム厚の異なる３種類の誘電体フィルム（フィルム厚Ｔ_０、Ｔ_１、Ｔ_２）を用いて積層体３０を構成した場合、フィルム厚Ｔ_１の誘電体フィルムを適用した領域において、フィルム厚Ｔ_１の誘電体フィルム間で構成されたコンデンサの静電容量は、フィルム厚Ｔ_０の誘電体フィルムを配置していたときと比べ、積層数が増える効果（Ｔ_０／Ｔ_１）と、電極間距離が小さくなる効果（Ｔ_０／Ｔ_１）により、（Ｔ_０／Ｔ_１）^２倍になる。また、フィルム厚Ｔ_２の誘電体フィルムを適用した領域において、フィルム厚Ｔ_２の誘電体フィルムで構成されたコンデンサの静電容量は、フィルム厚Ｔ_０の誘電体フィルムを配置していたときと比べ、積層数が増える効果（Ｔ_０／Ｔ_２）と、電極間距離が小さくなる効果（Ｔ_０／Ｔ_２）により、（Ｔ_０／Ｔ_２）^２倍になる。

上述の説明では、フィルム厚Ｔ_１の誘電体フィルムを含む領域と、フィルム厚Ｔ_２を含む領域での積層数を変えても、温度分布は変化しないと近似して、位置Ｌ_１、Ｌ_２、Ｌ_３、Ｌ_４を求めた。なお、このようにして求めたＬ_１、Ｌ_２、Ｌ_３、Ｌ_４と、フィルム厚Ｔ_０、フィルム厚Ｔ_１およびフィルム厚Ｔ_２に基づき、Ｌ_１、Ｌ_２、Ｌ_３、Ｌ_４の位置における温度を詳細に評価し、Ｌ_１、Ｌ_２、Ｌ_３、Ｌ_４の位置に問題がないことを確認してもよい。この場合は、求めた温度分布に基づき、Ｌ_１、Ｌ_２、Ｌ_３、Ｌ_４の位置を修正してもよい。

ここで、Ｔ_１の場合と同様に、Ｔ_２を種々の値に変えて、上記処理を実行することにより、各種フィルム厚Ｔ_２の誘電体フィルムに対して、切り替え位置を設定できる。なお、Ｌ_３、Ｌ_４は、積層体３０の積層方向の範囲に含まれなければならないので、あまり薄いフィルム厚をＴ_２とすることはできない。

上述の例では、フィルム厚の異なる２または３種類の誘電体フィルムの積層体３０内での切り替え位置の設定について説明したが、上記と同様の処理により、フィルム厚の異なる４種類以上の誘電体フィルムの積層体３０内での切り替え位置も設定できる。

次に、この積層型フィルムコンデンサ１００を製造する方法について、図４〜６を参照しながら説明する。ここでは、積層体３０内に２個のブロックを配置する例について説明する。

積層型フィルムコンデンサの製造工程は、大きく分けると、内部電極層形成工程と、切断工程と、積層工程と、メタリコン処理工程と、を有する。

（内部電極形成工程）
内部電極形成工程では、図４に示すように、厚さの異なる２種類の誘電体フィルム１ａ、１ｂの表面に複数の内部電極層Ａを行方向及び列方向に形成する。誘電体フィルム１ａは、図１の第１のブロック３０Ａに配置されるものであり、誘電体フィルム１ｂは、図１の第２のブロック３０Ｂに配置されるものである。したがって、誘電体フィルム１ａの方が誘電体フィルム１ｂよりも厚い。誘電体フィルム１ａ、１ｂの厚さは、図２（ａ）、（ｂ）に基づき設定される。内部電極層Ａは、例えば、誘電体フィルム１ａ、１ｂに金属膜を蒸着することにより形成される。例えば、誘電体フィルム１ａ、１ｂの長手方向（行方向）に一定の間隔毎に形成され、誘電体フィルム１ａ、１ｂの短手方向に２個配置される。内部電極層Ａは、第１の内部電極２及び第２の内部電極３として機能する層である。

（切断工程）
次に、誘電体フィルム１を切断する切断工程を行う。切断工程では、一枚の誘電体フィルム１を図４に破線で示す切断線Ｐに沿ってカッタ等で切断して複数のシート１Ａ、１Ｂに分ける。各シート１Ａ、１Ｂは、内部電極層Ａを１個ずつ備える。シート１Ａは、誘電体フィルム１ａに内部電極層Ａを形成したものであり、シート１Ｂは、誘電体フィルム１ｂに内部電極層Ａを形成したものである。以下では、図５に示すように、誘電体フィルム１ａのＹ方向に沿った一側面に内部電極層Ａを形成したものをフィルム１０ａと呼び、誘電体フィルム１ａのＹ方向に沿った他の側面に内部電極層Ａを形成したものをフィルム２０ａと呼ぶ。フィルム２０ａは、フィルム１０ａをＺ軸回りに１８０°回転させたものである。また、誘電体フィルム１ｂについても、内部電極層Ａが上記に対応するように形成されたものを、それぞれフィルム１０ｂおよびフィルム２０ｂと呼ぶ。フィルム１０ｂフィルム２０ｂの関係も、フィルム１０ａフィルム２０ａの関係と同じである。フィルム１０ａ、１０ｂ、２０ａ、２０ｂは同じ大きさである。図５では、フィルム１０ａとフィルム２０ａ、およびフィルム１０ｂとフィルム２０ｂをそれぞれｂだけずらして示している。このｂは、積層の際の相互のずらしの量であるオフセットを示している。なお、図４に示した切断線は、切断する位置を見易くするために描いた仮想的な線である。

（積層工程）
次に、フィルム１０ｂとフィルム２０ｂとを交互にＺ方向に積層して、第２のブロック３０Ｂを形成する。これと同様にして、フィルム１０ａとフィルム２０ａとを用いて、第２のブロック３０Ｂの＋Ｚ方向に第１のブロック３０Ａを形成し、さらに第１のブロック３０Ａの＋Ｚ方向に第２のブロック２０Ｂを形成する。このようにして、積層方向（Ｚ方向）の中央部に第１のブロック３０Ａ、積層方向（Ｚ方向）の両端部にそれぞれ第２のブロック３０Ｂが配置された積層体３０を形成する（図６（ａ）参照）。その後、これらを圧着処理して積層体３０を形成する。

このとき、フィルム１０ａとフィルム２０ａ、及びフィルム１０ｂとフィルム２０ｂとは、図６（ａ）に示すように、Ｙ方向のそれぞれの両端を揃え、図６（ｂ）に示すように、Ｘ方向については互いにオフセットｂ分だけずらして積層する。また、最上層には、金属膜が形成されていない誘電体フィルムが積層される。この誘電体フィルムは、内部電極の絶縁および保護のためのものであるので、誘電体フィルム１ａ及び誘電体フィルム１ｂのいずれを用いてもよい。なお、オフセットｂは、図５に示すオフセットｂと同じものである。

（メタリコン処理工程）
次に、積層体３０のＸ方向の一側面に、メタリコン処理によって溶射材を吹きつけ、メタリコン部４を形成する（図６（ｃ）参照）。メタリコン部４は、積層方向（Ｚ方向）に延在して形成され、第１の内部電極２と接続される。

続いて、積層体のＸ方向の他の側面に、メタリコン処理によって溶射材を吹きつけ、メタリコン部５を形成する（図６（ｄ）参照）。メタリコン部５は、積層方向（Ｚ方向）に延在して形成され、第２の内部電極３と接続される。

このようにして、第１の実施形態に係る積層型フィルムコンデンサ１００が形成される。

このように形成された積層型フィルムコンデンサ１００では、積層体３０内に配置された全ての誘電体フィルムの絶縁性が、積層体３０の積層方向の中央部に配置された誘電体フィルムの絶縁性を示す値を下回ることはない。そのため、内部電極間での短絡の防止については、均一な層厚で構成される従来の積層型フィルムコンデンサと同等の性能を有する。また、誘電体フィルム１ｂは、誘電体フィルム１ａよりもフィルム厚が薄いので、誘電体フィルム１ａのみを配置した積層型コンデンサに比べて静電容量を増加できる。したがって、内部電極間での短絡の防止と、静電容量の増加とを両立できる。

上記の内部電極形成工程では、誘電体フィルム１ａ、１ｂにそれぞれ１種類の内部電極層のパターンを形成する例について説明したが、内部電極層のパターンは１種類に限られない。図５の上部に示す内部電極層のパターンに加えて、誘電体フィルム１ａ、１ｂのそれぞれの表面に、図５の上部に示す内部電極層のパターンを、図中のＺ軸に対して１８０°回転させたパターンの内部電極層（図５の下部）を形成してもよい。このような２種類のパターンの内部電極層を形成すれば、２個のグループに分けるときに、誘電体フィルム１ａ、１ｂをＺ軸回りに１８０°回転させる作業が不要になる。

また、誘電体フィルム１ａの内部電極層Ａはヒューズ部を備えたものにすることもできる。その場合は、該ヒューズ部は短絡が生じたときに短絡電流が流れて溶断するので、短絡が生じた誘電体フィルム１ａの第１の内部電極２のみをメタリコン部４から切り離すことができる。これにより、短絡電流が遮断されるので、その積層型フィルムコンデンサを短絡後も使用できる。

また、内部電極の形状を工夫することにより、メタリコン部４とメタリコン部５の両方を、積層体３０のＸ方向に直交する一方の端面のそれぞれ異なる位置に形成することもできる。このように構成しても、上述した効果と同じ効果を得ることができる。

図７に、積層型フィルムコンデンサ１００を使って形成されたコンデンサモジュール２００を示す。図７（ａ）は、第１の外部電極８と第２の外部電極９とが、積層型フィルムコンデンサ１００のそれぞれメタリコン部４と５（メタリコン部５については図の下面に隠れていて描かれていない）とに接触するように取り付けられた積層型フィルムコンデンサ１００の斜視図である。第１の外部電極８は一方の先端部に第１の外部電極端子８ａを備え、第２の外部電極９は一方の先端部に第２の外部電極端子９ａを備える。第１の外部電極端子８ａ及び第２の外部電極端子９ａは、それぞれ、バスバーなどへの取り付け穴を有する。第１の外部電極８と第２の外部電極９とは積層型フィルムコンデンサ１００に、例えば圧着、又は図示を省略したメッキ部を介して圧着されている。なお、図７（ａ）で、積層型フィルムコンデンサ１００のフィルムの積層方向は矢印で示す方向である。Ｅ−Ｅ断面上にフィルム１０ａの第１の内部電極２が位置するとして、図７（ａ）では、Ｅ−Ｅ断面上に位置する第１の内部電極２のみを破線で示した。第１の内部電極２はメタリコン部４と接続され、メタリコン部５とは離れている。第２の内部電極３は図示した第１の内部電極２と並行に誘電体フィルム１ａまたは１ｂを介して積層方向に配置され、メタリコン部５と接続され、メタリコン部４とは離れている。図７（ａ）では、このように第１の内部電極２と第２の内部電極３とが誘電体フィルム１ａまたは１ｂを介して積層方向に交互に配置されている。

図７（ｂ）は、コンデンサモジュール２００の断面図を示す。断面位置は、図７（ａ）のＥ−Ｅに対応する。コンデンサモジュール２００は、第１の外部電極８と第２の外部電極９とが取り付けられた積層型フィルムコンデンサ１００と、これを収納する容器１１０と、容器１１０内を封止する封止材１２０とを備える。図７（ａ）で説明したように、Ｅ−Ｅ断面には第１の内部電極２が位置しており、メタリコン部４と接続している。なお、図７（ｂ）では、積層型フィルムコンデンサ１００、第１の外部電極８、第２の外部電極９及び容器１１０については見やすくするためにハッチングを付していない。また、メタリコン部４およびメタリコン部５についてはハッチングに代え黒く塗りつぶした。

容器１１０は、各種樹脂などの電気絶縁材で構成され、第１の外部電極８と第２の外部電極９とが取り付けられた積層型フィルムコンデンサ１００を収納するための、取り外し可能な蓋部（図示略）と、第１の外部電極端子８ａと第２の外部電極端子９ａのそれぞれの先端部を外部に露出させるためのスリット状の穴（図示略）とを備える。

封止材１２０は、容器１１０内に充填し、第１の外部電極８と第２の外部電極９とが取り付けられた積層型フィルムコンデンサ１００を容器１１０内で固定する。封止材１２０は、外部から容器１１０へ衝撃が加わったときの積層型フィルムコンデンサ１００に対する緩衝材としても機能する。

図８（ａ）には、３個の積層型フィルムコンデンサ１００ａ〜１００ｃと、これらに、第１の外部電極８及び第２の外部電極９を設けた場合の例を示す。これを図８（ｂ）に示すように容器１１０に入れて、第１の外部電極端子８ａ〜８ｃ及び第２の外部電極端子９ａ〜９ｃの先端部を容器１１０の外に露出させて、封止材１２０を容器１１０に充填して封止することにより、コンデンサモジュール２００を形成してもよい。なお、図８（ｂ）では、積層型フィルムコンデンサ１００ｂ、第１の外部電極８、第２の外部電極９及び容器１１０については見やすくするためにハッチングを付していない。また、メタリコン部４およびメタリコン部５についてはハッチングに代え黒く塗りつぶした。

積層型フィルムコンデンサ１００をこのようなコンデンサモジュール２００にして使用することにより、積層型フィルムコンデンサ１００に関する上記効果に加え、積層型フィルムコンデンサ１００を外部に対して保護することができる。更に、取り付け穴を有する外部端子を備えることにより、積層型フィルムコンデンサ１００を回路に容易に取り付けることができるようになる。

図９に、実施形態に係る積層型フィルムコンデンサ１００を利用した電力変換システム３００の例を示す。図９に示す電力変換システム３００は、直流電源３１０からの直流電力を三相交流電力に変換し、三相電力供給線３５０を介してモータ３６０に供給する。また、電力変換システム３００は、三相交流電力を三相インバータ３４０で直流電力に変換し、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２０を介して、直流電力を直流電源３１０に供給して、直流電源３１０を充電する。

電力変換システム３００は、直流電源３１０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２０と、ＤＣリンクコンデンサ３３０と、三相インバータ３４０と、を備える。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２０は、入力コンデンサ３２１と、電圧変換回路３２２と、を備える。

直流電源３１０は、例えばバッテリ（二次電池）である。

ＤＣ／ＤＣコンバータ３２０は、直流電源３１０から直流電力が供給されている場合、入力コンデンサ３２１を介して直流電圧を入力し、電圧変換回路３２２で昇圧して出力する。入力コンデンサ３２１は、直流電源３１０から供給された直流電圧に重畳するサージを低減するための平滑化コンデンサであり、コンデンサモジュール２００から構成されている。

ＤＣ／ＤＣコンバータ３２０の出力である昇圧された直流電圧は、ＤＣリンクコンデンサ３３０を介して三相インバータ３４０に印加される。ＤＣリンクコンデンサ３３０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２０から出力された直流電圧に重畳するサージを低減するための平滑化コンデンサであり、コンデンサモジュール２００から構成されている。三相インバータ３４０は入力された直流電力を三相交流電力に変換して出力する。出力された三相交流電力は、三相電力供給線３５０を介してモータ３６０に供給される。

一方、三相インバータ３４０は、モータ３６０の回転に伴って発電された三相交流電力を入力した場合、入力された三相交流電力を直流電力に変換してＤＣリンクコンデンサ３３０に出力する。ＤＣリンクコンデンサ３３０は、三相インバータ３４０から出力された直流電圧のリップル成分を除去する。

そして、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２０は、ＤＣリンクコンデンサ３３０から出力された直流電圧を電圧変換回路３２２で降圧して、その降圧した直流電圧を入力コンデンサ３２１で平滑化する。そして、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２０は、直流電力を、直流電源３１０に供給して、バッテリである直流電源３１０を充電する。

第１の実施形態に係る積層型フィルムコンデンサ１００は既に説明したとおり、従来品に比べて高い信頼性を有する。そのため、入力コンデンサ３２１及びＤＣリンクコンデンサ３３０に、実施形態１に係る積層型フィルムコンデンサ１００を含むコンデンサモジュール２００を使用することにより、電力変換システム３００の信頼性を向上させることが出来る。

本明細書の実施形態は、本発明の具体的実施態様の例示であって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。本発明は、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範囲において、自在に変形、応用あるいは改良して実施できる。

１ａ、１ｂ 誘電体フィルム
１Ａ、１Ｂ シート
２ 第１の内部電極
３ 第２の内部電極
４、５ メタリコン部
８ 第１の外部電極
９ 第２の外部電極
８ａ、８ｂ、８ｃ 第１の外部電極端子
９ａ、９ｂ、９ｃ 第２の外部電極端子
１０ａ、１０ｂ、２０ａ、２０ｂ フィルム
３０ 積層体
３０Ａ 第１のブロック
３０Ｂ 第２のブロック
１００、１００ａ〜１００ｃ 積層型フィルムコンデンサ
１１０ 容器
１２０ 封止材
２００ コンデンサモジュール
３００ 電力変換システム
３１０ 直流電源
３２０ ＤＣ／ＤＣコンバータ
３２１ 入力コンデンサ
３２２ 電圧変換回路
３３０ ＤＣリンクコンデンサ
３４０ 三相インバータ
３５０ 三相電力供給線
３６０ モータ
Ａ 内部電極層
Ｐ 切断線

Claims (5)

1. 誘電体フィルム上に第１の内部電極が形成されたフィルムと、誘電体フィルム上に第２の内部電極が形成されたフィルムとが、交互に複数層積層された積層体と、前記第１の内部電極に接続された第１の電極と、前記第２の内部電極に接続された第２の電極とを備える積層型フィルムコンデンサであって、
   前記積層体の積層方向の両端部のそれぞれの層に配置される誘電体フィルムは、積層方向の一方の端部の層と他方の端部の層との間の中央部の層に配置される誘電体フィルムよりも薄い、
   ことを特徴とする積層型フィルムコンデンサ。
2. 隣り合う２つの層の誘電体フィルムにおいて、前記中央部の層に近い層の誘電体フィルムは、前記積層方向の端部に近い誘電体フィルムの厚さ以上の厚さを有し、
   前記中央部の層に配置される誘電体フィルムよりも薄い厚さの前記誘電体フィルムは、使用される層における使用時の最高温度での絶縁性が、前記中央部の層における使用時の最高温度での前記中央部の層の前記誘電体フィルムの絶縁性を下回らない厚さである、
   ことを特徴とする請求項１に記載の積層型フィルムコンデンサ。
3. 前記積層体は、積層方向に連続する複数のフィルムを１ブロックとする複数のブロックで構成され、
   前記ブロック内の誘電体フィルムは同じ厚さである、
   ことを特徴とする請求項２に記載の積層型フィルムコンデンサ。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の１個以上の積層型フィルムコンデンサと、
   前記１個以上の積層型フィルムコンデンサを収納する容器と、
   前記第１の電極と接触され、その一部が前記容器外に引き出された第１の外部電極と、
   前記第２の電極と接触され、その一部が前記容器外に引き出された第２の外部電極と、
   前記容器内に充填され、前記積層型フィルムコンデンサを封止する封止材と、
   を備えることを特徴とするコンデンサモジュール。
5. 直流電力と交流電力の一方を他方に変換する電力変換システムであって、
   直流電圧に重畳するサージを低減するための平滑用コンデンサとして、請求項１乃至３の何れか１項に記載の積層型フィルムコンデンサ、または請求項４に記載のコンデンサモジュールの少なくとも一方が用いられる、
   ことを特徴する電力変換システム。
   

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