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

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。

特開昭６２－１１２１４号公報

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。

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１に示すフィルムコンデンサの外観を示す斜視図である。 フィルムコンデンサの接合部付近の拡大斜視図である。 フィルムコンデンサに用いられる金属化フィルムの構成を示す拡大断面図である。 本開示の一実施形態に係るフィルムコンデンサを示す外観斜視図である。 本開示の一実施形態に係るフィルムコンデンサを示す展開斜視図である。 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。 電動車輌に係る本開示の実施形態の電動自動車を示す概略構成図である。 本開示の他の実施形態のフィルムコンデンサが具備する接合部を示す断面図である。 図９に示される実施形態の接合部の斜視図である。

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。

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。

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。

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

Claims (7)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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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