JP2022106244A - フィルムコンデンサ、これを用いた連結型コンデンサ、インバータおよび電動車輌 - Google Patents
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Abstract
【課題】 半田接続用専用設備を用いることなく、熱応力等による金属電極とメタリコン電極との間の接続不良の発生を防止することができる耐性の向上されたフィルムコンデンサを提供する。【解決手段】 厚み方向の両側の表面2a,2bに電極3a,3bをそれぞれ有するフィルムコンデンサ素子4と、長手板状の部材から成り、長手方向の一端部に各電極3a,3bのそれぞれに接続される接合部5a,5bを有するバスバー6a,6bと、接合部5a,5bと電極3a,3bとを接合する接合層7a,7bと、を備える。接合部5a,5bは、第1突部8a,8bと、第2突部9a,9bと、平坦部10a,10bと、第3突部15aを含む構成とする。【選択図】 図1
Description
本開示は、フィルムコンデンサ、連結型コンデンサ、ならびにインバータ、電動車輌に関する。
従来技術のコンデンサは、例えば特許文献1に記載されている。この従来技術では、側面の両極の外部電極の取出し口が互いに平行な2つの主面の少なくとも一方の上に延びて露出面を形成するように、構成したチップ型セラミックコンデンサと、2つ主面間の間隔よりは所定の距離だけ大きい距離を隔てて対を成す主壁及びこれらの主壁を連結する底部壁を有するケースを本体とし、主壁の少なくとも一方の内側の、ケース本体にチップ型セラミックコンデンサを挿入したときの露出面に対応する位置に、露出面を弾性的に押圧するような構成の対のばね状接触端子を備え、且つ底部壁から外方に向けてばね状接触端子に個別に電気的に接続された対を成す基板実装ピンを設けた支持用ケースとから成る、チップ型セラミックコンデンサと支持用ケースの組合せた構成が提案されている。
他の従来技術では、近年のフィルムコンデンサの用途として、ハイブリッド自動車、電気自動車のパワーコントロールユニット(Power Control Unit;PCU)向けの大容量タイプのものが求められ、コンデンサ素子への水分浸入を防ぐため、コンデンサ素子にバスバーを半田付けし、コンデンサ全体を樹脂によって封止する技術が提案されている。
上記の他の従来技術において、フィルムコンデンサ素子にバスバーを接続する方法として、半田接続が多用されているが、バスバーとフィルムコンデンサ素子とを半田接続する際に例えば半田を溶融するめの加熱によって、フィルムコンデンサ素子が高温に曝されるため、フィルムコンデンサ素子に熱応力が発生してしまう。また半田接続の際にフィルムコンデンサが高温に加熱されるので、フィルムコンデンサの誘電体である樹脂フィルムに蒸着されて金属電極とメタリコン電極との接続部が部分的に離れることによる接続不良部が生じてしまい、誘電損tanθの劣化が生じてしまう。さらに、バスバーをフィルムコンデンサの電極に半田付けするためには、半田接続用専用設備が必要となる。
このような他の従来技術では、バスバーをフィルムコンデンサの電極に半田接続するために、フィルムコンデンサ素子の熱応力の発生、金属電極とメタリコン電極との間の接続不良の発生、半田接続用専用設備の導入等の課題があり、従来から、このような課題を解決できるフィルムコンデンサ、これを用いた連結型コンデンサ、インバータおよび電動車輌が求められている。
本開示のフィルムコンデンサは、厚み方向の両側の表面に電極をそれぞれ有するフィルムコンデンサ素子と、長手板状の部材から成り、長手方向の一端部に前記各電極のそれぞれに接続される接合部を有するバスバーと、前記接合部と前記電極との間に位置し、前記接合部と前記電極とを接合する接合層と、を備え、前記接合部は、前記電極側に突出する第1突部と、前記第1突部と前記長手方向に間隔をあけて位置し、前記電極側に突出する第2突部と、前記第1突部と前記第2突部との間に位置する平坦部と、を含んでいる構成とする。
本開示の連結型コンデンサは、前記フィルムコンデンサが、バスバーによって複数個接続されている構成とする。
本開示のインバータは、スイッチング素子により構成されるブリッジ回路と、前記ブリッジ回路に接続された容量部と、を備えているインバータであって、前記容量部が前記フィルムコンデンサである、構成とする。
本開示の電動車両は、前記インバータと、前記インバータに接続された電源と、前記インバータに接続されたモータと、前記モータにより駆動する車輪と、を備えている構成とする。
本開示のフィルムコンデンサおよびそれを用いた連結型コンデンサ、インバータ、電動車両によれば、半田接続用専用設備を用いることなく、熱応力の発生を抑制し、金属電極とメタリコン電極との間の接続不良の発生を防止することができる。
以下、添付図面を参照して、本開示のフィルムコンデンサの実施形態について説明する。
図1は、本開示に係る実施形態のフィルムコンデンサ1の構成を模式的に示す断面図である。図2は、図1に示すフィルムコンデンサ1の外観を示す斜視図である。図3は、フィルムコンデンサ1の接合部5a付近の拡大斜視図である。本実施形態のフィルムコンデンサ1は、厚み方向(図1の上下方向)の両側の表面2a,2bに電極3a,3bをそれぞれ有するフィルムコンデンサ素子4と、長手板状の部材から成り、長手方向(図1の左右方向)の一端部に各電極3a,3bのそれぞれに接続される接合部5a,5bを有するバスバー6a,6bと、接合部5a,5bと電極3a,3bとの間に位置し、接合部5a,5bと電極3a,3bとを接合する接合層7a,7bと、を備える。
接合部5a,5bは、電極3a,3b側に突出する第1突部8a,8bと、第1突部8a,8bと長手方向に間隔ΔL1a,ΔL1bをあけて位置し、電極3a,3b側に突出する第2突部9a,9bと、第1突部8a,8bと第2突部9a,9bとの間に位置する平坦部10a,10bと、平坦部10a,10bの長手方向に垂直な幅方向の一側縁に連なり、電極3a,3b側に突出する第3突部15a,15bを含んで構成される。
本実施形態では、接合部5a,5bは、第1突部8a,8b、第2突部9a,9bおよび第3突部15a,15bを含んで構成されるが、接合層7a,7bの導電ペーストを保持し、十分な接触面積によって高い接合強度を確保できれば、第3突部15a,15bは無くてもよい。また、より高い接合強度が要求される場合には、後述するように、第1突部8a,8b、第2突部9a,9bおよび第3突部15a,15bに加えて第4突部16a,16bを有する構成であってもよい。
前述のフィルムコンデンサ素子4と、各バスバー6a,6bの少なくとも接合部4a,4bを含む一部の領域と、各接合層7a,7bとは、樹脂モールド11によって被覆され、各バスバー6a,6bの長手方向の他端部が端子部として樹脂モールド11から突出している。樹脂モールド11の外観形状は、各バスバー6a,6bの長手方向に長い略直方体を成すブロック状である。
樹脂モールド11は、熱硬化性樹脂、例えばエポキシ樹脂であってもよい。モールド内にフィルムコンデンサ素子4と、各バスバー6a,6bの少なくとも接合部4a,4bを含む一部の領域と、各接合層7a,7bとを収容して、モールド内に硬化前では液状のエポキシ樹脂を充填し、紫外線等の光を照射して光硬化させて、作製されてもよい。接合部4a,4bが接合層7a,7bを形成する導電ペーストによって各電極の状態では、各バスバー6a,6bは、自身のばね性によって各電極3a,3bに第1突部8a,8bおよび第2突部9a、9bが弾発的に押し付けられた状態にあるので、各バスバー6a,6bおよびフィルムコンデンサ素子4に対して、設計どおりの位置決め位置から不用意に変位することが防がれる。特に各電極3a,3bに対する第1突部8a,8bおよび第2突部9a,9bの浮き上がりが防止され、確実に電気的に接続されかつ機械的に接合される。
各バスバー6a,6bの材料としては、例えば、亜鉛、アルミニウム、銅および半田から選ばれる一種の金属材料を好適に用いることができる。また、接合層7a,7bの導電ペーストの材料としては、例えば、半田または、銀などの導電フィラーを含有した接着剤を好適に用いることができる。
(フィルムコンデンサ素子)
図4は、フィルムコンデンサ素子4に用いられる金属化フィルム20の構成を示す拡大断面図である。本実施形態の金属化フィルム20は、誘電体フィルム21および金属膜22を有する。誘電体フィルム21は、第1面21aおよび第1面21aとは反対側の第2面21bを有している。誘電体フィルム21の膜厚は、1~3μmである。
図4は、フィルムコンデンサ素子4に用いられる金属化フィルム20の構成を示す拡大断面図である。本実施形態の金属化フィルム20は、誘電体フィルム21および金属膜22を有する。誘電体フィルム21は、第1面21aおよび第1面21aとは反対側の第2面21bを有している。誘電体フィルム21の膜厚は、1~3μmである。
誘電体フィルム21は、絶縁性の樹脂から成る。誘電体フィルム21に用いられる樹脂材料としては、例えば、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリフェニレンサルファイド(PPS)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリアリレート(PAR)、ポリフェニレンエーテル(PPE)、ポリエーテルイミド(PEI)、シクロオレフィンポリマー等が挙げられる。
金属膜22は、金属材料から成り、誘電体フィルム21の第2面21bに形成されている。金属膜22に用いられる金属材料としては、例えば、アルミニウム、アルミニウムを主成分とする合金等が挙げられる。金属膜22の膜厚は、例えば、10nm~30nmである。
金属化フィルム20は、誘電体フィルム21の幅方向(図4における紙面に垂直な方向)の一端側に、金属膜22が蒸着されず、誘電体フィルム21の第2面21bが露出する部分である金属膜非形成部30aを有していてもよい。金属膜非形成部30aは、誘電体フィルム21の長さ方向(図4における左右方向)に連続して延びていてもよい。
金属化フィルム20は、例えば、以下のようにして作製することができる。
また、例えばPET製の基材を準備し、基材の一方主面(第3面ともいう)にアルミナ粒子等を用いたブラスト処理を施す。第3面は、最大高さSz3を、次式(1)
100nm<Sz3≦350nm …(1)
を満たす範囲としてもよい。
100nm<Sz3≦350nm …(1)
を満たす範囲としてもよい。
次に、基材の第3面に樹脂溶液をシート状に成形する。成形方法としては、ドクターブレード法、ダイコータ法、ナイフコータ法等の公知の方法から適宜選択することができる。第3面に成形された樹脂溶液を乾燥して溶媒を揮発させることによって、基材の第3面上に誘電体フィルム21を形成することができる。
次に、誘電体フィルム21を、基材から剥離し、樹脂または金属から成る巻芯に巻回して回収する。回収された誘電体フィルム21の第2面21bに金属膜22を蒸着することによって、金属化フィルム20を製造することができる。
金属化フィルム20の製造方法では、基材の第3面上に形成された誘電体フィルム21を、基材と一緒に巻芯に巻回して回収するのではなく、基材から剥離し、基材とは別個に巻芯に巻回して回収する。このため、誘電体フィルム21の第1面1aに、基材の他方主面の圧痕が生じることを抑制できる。
金属化フィルム20では、誘電体フィルム21の、金属膜22が蒸着されない第1面21aが、式(1)(100nm<Sz1≦350nm)を見たす微細な凹凸を有している。これにより、第1面21aの平滑性が高いことに起因する皺の発生を抑制できる。また、金属化フィルム20を巻回または積層してフィルムコンデンサ1を作製する際に、金属化フィルム20同士の貼り付きを抑制し、金属化フィルム20が破断する虞を低減することができる。ひいては、金属化フィルム20を備えるフィルムコンデンサ1の信頼性を向上させることができる。
また、金属化フィルム20では、誘電体フィルム21の、金属膜22が蒸着される第2面21bが、式(2)
10≦Sz1≦100nm …(2)
を満たし、第1面21aよりも平滑にされている。すなわち、誘電体フィルム21では、平面視で第1面21aの谷と第2面21bの谷とが重なる部位においても、膜厚が過度に低下することが低減されている。このため、金属化フィルム20を積層または巻回して成るフィルムコンデンサ1では、高電圧を印加した場合であっても絶縁破壊が起こりにくい。
10≦Sz1≦100nm …(2)
を満たし、第1面21aよりも平滑にされている。すなわち、誘電体フィルム21では、平面視で第1面21aの谷と第2面21bの谷とが重なる部位においても、膜厚が過度に低下することが低減されている。このため、金属化フィルム20を積層または巻回して成るフィルムコンデンサ1では、高電圧を印加した場合であっても絶縁破壊が起こりにくい。
原子間力顕微鏡(AFM)による視野100μm×100μmの表面の算術平均高さを計測したときの第1面22aの最大高さSz1は、最大山高さSp1が最大谷深さSv1よりも大きくてもよい。これにより、第1面21aの滑り性が向上するので、フィルムコンデンサ1を製造する際に、金属化フィルム20に皺が発生することを抑制できる。
本実施形態のフィルムコンデンサ1は、金属化フィルム20を複数枚積層して成るフィルムコンデンサ素子4と、フィルムコンデンサ素子4に設けられたバスバー6a,6bとを備えている。
フィルムコンデンサ1は、バスバー6a,6bを有している。フィルムコンデンサ1はフィルムコンデンサ素子4と、バスバー6a,6bとを覆う樹脂モールド11とを有している。これにより、フィルムコンデンサ素子4と、バスバー6a,6bと、を、外部環境から電気的に絶縁し、外部環境から保護することが可能になる。
フィルムコンデンサ1は、例えば、1つの金属化フィルム20の金属膜非形成部と、該1つの金属化フィルム20に隣り合う金属化フィルム20の金属膜非形成部とが、誘電体フィルム21の幅方向(図5における左右方向)における異なる端部に位置するように構成されていてもよい。
フィルムコンデンサ1は、金属化フィルム20を備えることにより、フィルムコンデンサ1を製造する際の歩留り、フィルムコンデンサ1の耐電圧性を向上させることができる。また、フィルムコンデンサ1によれば、隣り合う金属化フィルム20が密着することを抑制し、絶縁欠陥部で短絡が生じた際のガス抜け性を確保することができるため、自己回復性を向上させることができる。
フィルムコンデンサ1は、例えば、巻回型のフィルムコンデンサであってもよい。フィルムコンデンサ1は、巻回型のフィルムコンデンサである場合でも、金属化フィルム20を備えることによって、絶縁欠陥部で短絡が生じた際のガス抜け性を確保することができるため、自己回復性を向上させることができる。
本実施形態の連結型コンデンサCは、複数個のフィルムコンデンサBが一対のバスバー6a,6bにより並列接続された構成となっている。バスバー6a,6bは、接合部5a,5bと、接合部5a,5bに連なる引出端子部6a1,6b1(図2および図3参照)と、を含む。引出端子部6a1,6b1は外部接続用であり、引出端子部6a1,6b1は、フィルムコンデンサBのバスバー7a、7bにそれぞれ接続される。
なお、連結型コンデンサCは、図1に示すフィルムコンデンサ1を平坦な面同士が重なるように積み上げた構造(配置)であっても、同様の効果を得ることができる。
図7は、インバータに係る本開示の実施形態の構成を説明するための概略構成図である。図7には、整流後の直流から交流を作り出すDC/AC変換器としてのインバータDの例を示している。本実施形態のインバータDは、図7に示すように、スイッチング素子、たとえばIGBT(Insulated gate Bipolar Transistor)とダイオードとによって構成されるブリッジ回路31と、電圧安定化のためにブリッジ回路31の入力端子間に配置された容量部33と、を備えている。ここで、容量部33として上記のフィルムコンデンサ1または連結型コンデンサが適用される。
なお、このインバータDは、直流電源の電圧を昇圧する昇圧回路35に接続される。一方、ブリッジ回路31は駆動源となるモータジェネレータ(モータM)に接続される。
インバータDの容量部33に、上記した本実施形態のフィルムコンデンサ1または連結型コンデンサを適用すると、インバータDに占める容量部33の体積を小さくすることができるとともに、バスバー6a,6bと電極3a,3bとの高い接合強度の接合を有する。したがって、より小型化され、かつ静電容量の大きい容量部33を有しかつ断線等に対して優れた耐性するインバータDを得ることができる。
図8は、電動車輌に係る本開示の実施形態の電動車両Vを示す概略構成図である。本実施形態では、電動車輌としてハイブリッド自動車(HEV)の例を示している。
図8における符号41は駆動用のモータ、43はエンジン、45はトランスミッション、47はインバータ、49は電源(電池)、51a、51bは前輪および後輪である。
この電動車輌Vでは、駆動源であるモータ41およびエンジン43の少なくともいずれか一方の出力が、トランスミッション45を介して左右一対の前輪51aに伝達される。電源49は、インバータ47を介してモータ41に接続されている。
また、図8に示した電動車輌Vは、電動車輌V全体の統括的な制御を行う車輌ECU53を備えている。
運転者等がイグニッションキー55や図示しないアクセルペダル、ブレーキ等を操作することにより、その操作に応じた駆動信号が、電動車輌Vから車輌ECU53に入力される。車輌ECU53は、その駆動信号に基づいて指示信号を車載用電子制御ユニット(Electronic Control Unit;ECU)57、電源49、および負荷としてのインバータ47に出力する。エンジンECU57は、指示信号に応答してエンジン43の回転数を制御し、電動車輌Vを駆動する。
本実施形態のフィルムコンデンサ1または連結型コンデンサを容量部33として適用したインバータDを、例えば、図8に示すような電動車輌Vに搭載した場合、フィルムコンデンサBまたは連結型コンデンサCが、破壊電界強度の高いものであるため、電動車輌に搭載されたECUなどの制御装置の電流制御をより安定したものにすることができる。
図9は、本開示の他の実施形態のフィルムコンデンサ1aが具備する接合部5a1を示す断面図であり、図10は、図9に示される実施形態の接合部5a1の斜視図である。なお前述の実施形態と対応する部分には、同一の参照符を付す。また一対のバスバー6a2,6b2は、同一の構成であるため、一方のバスバー6a1について説明し、他方のバスバー6b2の説明は省略する。本実施形態のフィルムコンデンサ1aは、前述の実施形態のフィルムコンデンサ1の構成に加えて、接合部5aは、バスバー6aの長手方向に垂直な幅方向他側縁に連なり、第3突部15aと対向する第4突部16aを、さらに含む。
このようなバスバー6a2は、第1突部8a、第2突部8b及び第3突部15aに加えて第4突部15bを有するので、電極3aに対してより高い接合強度が得られ、熱や振動等の外力に対して、高い耐性を有する。
本開示に係るフィルムコンデンサによれば、半田接続用専用設備を用いることなく、バスバー6a,6bをフィルムコンデンサ素子4に対して治具によって位置決めた状態で導電ペーストを接合部5a,5bに塗布し、光を照射して硬化させて接合層7a,7bを形成し、各バスバー6a,6bを電極3a,3bに接合することができるので、接合部5a,5bに対する接合層7a,7bの接触面積が大きく、高い付着強度を有する、これによって、使用時等の高電流による熱を分散させて熱応力の発生を抑制し、電気的かつ機械的に確実な接合を得ることができ、各バスバー6a,6bと電極3a,3bとの間の接続不良の発生を防止することができ、耐性の高いフィルムコンデンサ1,1aおよびこれを用いた連結型コンデンサ、インバータおよび電動車両を提供することができる。
以上、本開示の実施形態について詳細に説明したが、また、本開示は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。上記各実施形態をそれぞれ構成する全部または一部を、適宜、矛盾しない範囲で組み合わせ可能であることは、言うまでもない。
1,1a フィルムコンデンサ
2a,2b 表面
3a,3b 電極
4 フィルムコンデンサ素子
5a,5b 接合部
6a,6b バスバー
7a,7b 接合層
8a,8b 第1突部
9a,9b 第2突部
10a,10b 平坦部
11 樹脂モールド
15a,15b 第3突部
16a,16b 第4突部
20 金属化フィルム
21 誘電体フィルム
22 金属膜
D インバータ
V 電動車両
2a,2b 表面
3a,3b 電極
4 フィルムコンデンサ素子
5a,5b 接合部
6a,6b バスバー
7a,7b 接合層
8a,8b 第1突部
9a,9b 第2突部
10a,10b 平坦部
11 樹脂モールド
15a,15b 第3突部
16a,16b 第4突部
20 金属化フィルム
21 誘電体フィルム
22 金属膜
D インバータ
V 電動車両
Claims (7)
- 厚み方向の両側の表面に電極をそれぞれ有するフィルムコンデンサ素子と、
長手板状の部材から成り、長手方向の一端部に前記各電極のそれぞれに接続される接合部を有するバスバーと、
前記接合部と前記電極との間に位置し、前記接合部と前記電極とを接合する接合層と、を備え、
前記接合部は、
前記電極側に突出する第1突部と、
前記第1突部と前記長手方向に間隔をあけて位置し、前記電極側に突出する第2突部と、
前記第1突部と前記第2突部との間に位置する平坦部と、を含んでいるフィルムコンデンサ。 - 前記接合部は、前記平坦部の前記長手方向に垂直な幅方向の一側縁に連なり、前記電極側に突出する第3突部を、さらに含んでいる、請求項1に記載のフィルムコンデンサ。
- 前記接合部は、前記バスバーの前記長手方向に垂直な幅方向の他側縁に連なり、前記第3突部と対向し、前記電極側に突出する第4突部を、さらに含んでいる、請求項2に記載のフィルムコンデンサ。
- 請求項1~3のいずれか1項に記載のフィルムコンデンサが、バスバーによって複数個接続されている、連結型コンデンサ。
- スイッチング素子により構成されるブリッジ回路と、
前記ブリッジ回路に接続された容量部と、を備えているインバータであって、前記容量部が請求項1~3のいずれか1項に記載のフィルムコンデンサである、インバータ。 - スイッチング素子により構成されるブリッジ回路と、
該ブリッジ回路に接続された容量部と、を備えているインバータであって、前記容量部が請求項4に記載の連結型コンデンサである、インバータ。 - 請求項5または6に記載のインバータと、
前記インバータに接続された電源と、
前記インバータに接続されたモータと、
前記モータにより駆動する車輪と、を備えている電動車両。
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