JP5768211B2

JP5768211B2 - ケースモールド型コンデンサ

Info

Publication number: JP5768211B2
Application number: JP2011060210A
Authority: JP
Inventors: 喜也永田; 裕介橋場
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2011-03-18
Filing date: 2011-03-18
Publication date: 2015-08-26
Anticipated expiration: 2031-03-18
Also published as: JP2012195536A

Description

本発明は各種電子機器、電気機器、産業機器、自動車等に使用され、特に、ハイブリッド自動車のモータ駆動用インバータ回路の平滑用、フィルタ用、スナバ用に最適な金属化フィルムコンデンサをケース内に収容して樹脂モールドしたケースモールド型コンデンサに関するものである。

近年、環境保護の観点から、多くの電気機器がインバータ回路で制御され、省エネルギー化、高効率化が進められている。中でも自動車業界においては、電気モータとガソリンエンジンを使い分けて走行するハイブリッド車（以下、ＨＥＶと呼ぶ）が市場導入されるなど、省エネルギー化、高効率化に関する技術の開発が活発化している。

このようなＨＥＶで使用される電気モータは、使用電圧領域が数百ボルトと高いため、このような電気モータに関連して使用されるコンデンサとして、高耐電圧で低損失の電気特性を有する金属化フィルムコンデンサが注目されている。さらに、市場におけるメンテナンスフリー化の要望からも、極めて寿命が長い金属化フィルムコンデンサが採用される傾向が目立っている。

この金属化フィルムコンデンサに電流を流すと、電磁力の働きによって金属化フィルム間においてローレンツ力が発生する。そして、電流の大きさが変動したり断続電流が流れたりした場合には、このローレンツ力が時間と共に変化し、コンデンサ素子の巻回軸方向に直交する方向にフィルムが振動する。また、コンデンサ素子の周囲に充填されたモールド樹脂を通じて巻回軸方向の振動にも変換される。

この振動がモールド樹脂からケースに伝播され、騒音として課題となる場合がある。特に、このような金属化フィルムコンデンサをＨＥＶ用のインバータ回路の平滑用に用いる場合には、スイッチング周波数が数ｋＨｚ〜１５ｋＨｚという可聴周波数であることから、高い静粛性が要求される自動車用に使用する場合には上記騒音をできるだけ低減することが必要であり、このような高周波領域において発生する騒音を低減するために種々の提案がなされている。

例えば、特許文献１には、上記騒音をコンデンサ素子自体で低減する手段として、樹脂フィルムに金属を蒸着してなるメタライズドフィルムを巻回したコンデンサ素子を加熱すると同時に該コンデンサ素子の横断面の上下及び左右方向から加圧して加熱・加圧成形することにより、絶縁不良の発生を増加させずにコンデンサ素子の振動を低減させる製造方法が提案されている。

また、特許文献２には、プラスチックフィルムの片面または両面に金属蒸着した金属化フィルムを巻回してなるコンデンサ素子と、このコンデンサ素子を１個または複数個内蔵し、内部を樹脂充填した外装ケースとを備えた金属化フィルムコンデンサにおいて、コンデンサ素子の外側面と外装ケース内側面との間に吸音防音材を配することにより、コンデンサ素子自体の振動、うなり音の低減ならびに遮音効果を高めることで、騒音の少ないかつ高安全性な金属化フィルムコンデンサを得ることが出来るとされている。

さらに、特許文献３には、正電荷を帯電させる正極層と負電荷を帯電させる負極層とを、電気的絶縁性を有する絶縁部を介して積層してなる金属化フィルムと、外部に配される正極電源と電気的に接続されるとともに、上記金属化フィルムの巻回軸方向における両端部である軸方向端部の一方において上記正極層と接触する正極側電極部と、外部に配される負極電源と電気的に接続されるとともに、他方の上記軸方向端部において上記負極層と接触する負極側電極部と、上記金属化フィルムの巻回軸方向に直交する方向における断面において上記金属化フィルムの重心位置に配される軸芯とを有し、該軸芯は、上記コンデンサ単素子を所定の位置に固定するための固定手段とすることにより、振動の発生源となる金属化フィルムの重心位置、つまり、振動の中心としての重心位置に軸芯が配置されているため、この重心位置の両側で発生する振動同士を、軸芯においては十分に相殺することができる。このことから、軸芯を重心位置に配置すれば、金属化フィルムの振動によって軸芯が振動することを十分に抑制することができ、軸芯を固定する相手側も振動することもほとんどないとされている。

特開２０００−１２３７１号公報特開２００５−９３５１５号公報特開２０１０−９３０６０号公報

しかしながら、前記特許文献１は、コンデンサ素子を加熱・加圧成形することによりコンデンサ素子の振動を低減できるが、完全に振動がなくならないため、特許文献２との組み合わせを行っているのが実情である。

また、特許文献２は、コンデンサ素子の外側面と外装ケース内側面の間に吸音防音材を配することで振動が低減するとされているが、実際はケース内に充填した樹脂で吸音防音材も覆われるため、コンデンサ素子で発生した振動が充填した樹脂を伝播してケースを振動し、ケースの外部に騒音として伝わるという課題を有している。

一方、特許文献３は、金属化フィルムの巻回された巻芯の重心位置に軸芯を正極側と負極側に配設することで振動を低減するとされるが、軸芯に金属化フィルムを巻回する工程とした場合は、巻回工程で通常の巻き取り機を用いることができず、各電極の形成時に軸芯が弊害となり、工程が煩雑になる課題を有している。また、金属化フィルムを巻回した後に軸芯を挿入する工程とした場合では、巻回した巻芯と軸芯のクリアランスが問題となり、少しでもクリアランスを有すると振動対策にならないという問題を有している。

本発明は、このような従来の課題を解決し、騒音を発生することがなく、信頼性に優れたケースモールド型コンデンサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、上面に開口部を有するケースと、このケース内に収容され、一対の電極を有するコンデンサ素子と、このコンデンサ素子の一対の電極にそれぞれ電極接続部を接続して外部接続端子部を有する一対のバスバーと、前記ケース内に充填したモールド樹脂とを備えたケースモールド型コンデンサにおいて、前記コンデンサ素子は、周面に円柱状の貫通孔を有し、前記円柱状の貫通孔に有機樹脂が充填されたことを特徴とするものである。

以上のように本発明によれば、コンデンサ素子が周面に円柱状の貫通孔を有し、その貫通孔に有機樹脂を充填することにより、コンデンサ素子の剛性が高くなり、また、貫通孔内の金属化フィルムが有機樹脂で固定されるので、コンデンサ素子に電流を流して金属化フィルム間にローレンツ力が発生しても、金属化フィルムの振動を抑えることができる。その結果、コンデンサ素子の振動が低減し、ケースモールド型コンデンサの騒音の発生が抑制される。

（ａ）同コンデンサ素子をケースに収納したケースモールド型コンデンサの平面図、（ｂ）同正面図本発明の実施の形態におけるコンデンサ素子の斜視図騒音の測定結果を表すグラフ図

（実施の形態１）
図１（ａ）,（ｂ）は本発明の実施の形態１によるケースモールド型コンデンサの平面図と正面図である。

同図において、１１はコンデンサ素子、１４はＰ極バスバー、１５はＮ極バスバーである。Ｐ極バスバー１４は、コンデンサ素子１１の一方の電極１２に接続される電極接続部１４ａと、外部接続用端子部１４ｂを備え、Ｎ極バスバー１５も、コンデンサ素子１１の他方の電極１２に接続される電極接続部（図示せず）と、外部接続用端子部１５ｂを備えている。

１６は樹脂製のケースで、上記複数個のコンデンサ素子１１を一対のバスバー１４，１５で接続したものを収納するものである。

ケース１６内には、図示しないがコンデンサ素子１１を覆い、一対のバスバー１４，１５の外部接続用端子部１４ｂ，１５ｂを表出するようにモールド樹脂が充填される。

コンデンサ素子１１は図２に示すように、小判形に偏平した形状を有している。このコンデンサ素子１１はポリプロピレンからなる誘電体フィルムの片面または両面に金属蒸着電極を形成した金属化フィルムを一対とし、上記金属蒸着電極が誘電体フィルムを介して対向する状態で巻回した後にプレス加工して断面を小判形にする偏平加工を行い、両端面に亜鉛をメタリコン溶射したメタリコン電極を夫々形成することによってＰ極とＮ極の一対の電極１２を設けて構成されたものである。

小判形のコンデンサ素子１１は、小判形の断面の長辺をａ、短辺をｂとしたとき、ａ／ｂが１．５〜４．０の範囲が好ましい。このａ／ｂが１．５未満（偏平率が低い）ではコンデンサ素子１１の振動を多少抑えることはできるが、満足できるものではなく、小型化及び薄型化ができない。また、ａ／ｂが４．０を超える（偏平率が高い）と、コンデンサ素子１１を均一に偏平しにくくなり、金属化フィルム同士の密着性が悪く容量変化率が大きくなり、寿命特性に課題を有している。

コンデンサ素子１１の小判形の偏平方向の中央に貫通した貫通孔１３が設けられている。この貫通孔１３には有機樹脂（図示せず）が充填される。貫通孔１３の大きさは、特に限定するものではないが、コンデンサ素子１１の大きさにもよるが直径が２〜４ｍｍが好ましい。この貫通孔１３は、機械加工、レーザー加工、ウォータージェット加工等により開けることができる。

コンデンサ素子１１の貫通孔１３に有機樹脂を充填することにより、巻回された金属化フィルムの積層の一部分を固定することができるので、電流を流しても金属化フィルムの振動が無くなり、コンデンサ素子１１からの騒音を抑制することができる。

充填する有機樹脂としては、ケース１６内に充填されるモールド樹脂を使用することができる。このとき、コンデンサ素子１１のケース１６内への収納は、コンデンサ素子１１の偏平面をケース１６の底面に対して対向になるように配置する。このような配置をすることにより、ケース１６内に収納されたコンデンサ素子１１をモールド樹脂するときに、貫通孔１３にも充填されるので、製造工程が簡略化され、モールド樹脂がコンデンサ素子１１の貫通孔１３に確実に入るので好ましい。

モールド樹脂は、エポキシ樹脂を主材料とし、これに無機フィラーを含有させたものが好ましい。これは、線膨張係数と硬化収縮率が低い値を示すので、貫通孔１３に充填されて硬化したときに空洞部の発生や金属化フィルム間の膨張といった悪影響を抑制することができる。

また、有機樹脂としてポリプロピレン、ポリエチレン、シリコン樹脂、フッ素樹脂などを用いることができる。このときはポリプロピレン等の液状の樹脂を予めコンデンサ素子１１の貫通孔１３に充填させておき、その後バスバー１４，１５を接続してケース１６内に収納し、ケース１６内をモールド樹脂で充填する。特に、金属化フィルムと同じポリプロピレン樹脂を用いることにより、貫通孔１３内の空洞部の発生や金属化フィルム間の膨張といった悪影響を受けない。

次に本実施の形態の具体例について述べる。

（実施例１）
コンデンサ素子として、厚み３μｍ、幅５０ｍｍのポリプロピレンからなる誘電体フィルムに、その表面にアルミニウムの蒸着金属を形成した金属化フィルムを一対とし、その間に誘電体フィルムを介して金属化フィルムが対向する状態で巻回した後にプレス加工して断面を小判形にする偏平加工を行った（長辺５０ｍｍ、短辺３５ｍｍ、幅５０ｍｍ）。

次に、偏平加工を行ったコンデンサ素子の偏平の中央に機械加工により直径３ｍｍの貫通孔を形成した。

次に、コンデンサ素子の両端面にメタリコン溶射にて亜鉛のメタリコン電極を夫々形成した。

次に、図２に示すように上記コンデンサ素子を３個用い、そのメタリコン電極にＰ極バスバー、Ｎ極バスバーを接続し、ポリフェニレンサルファイド樹脂のケースに収納し、ケース内に無機フィラー含有のエポキシ樹脂を充填して、コンデンサ素子の貫通孔にエポキシ樹脂を充填するとともに、各コンデンサ素子と各バスバーの外部接続用端子を表出するようにモールド樹脂を充填してケースモールド型コンデンサを作製した。

（比較例１）
上記実施例１において、コンデンサ素子に貫通孔を設けないコンデンサ素子を用いた以外は上記実施例１と同じ構成のケースモールド型コンデンサを作製した。

上記実施例１及び比較例１のケースモールド型コンデンサについて、５０Ａのリップル電流を通電した時の８〜１２ｋＨｚの周波数領域における騒音を測定した。その測定結果を図３に示す。なお、騒音の測定については、ケースの広幅面から１００ｍｍ離した位置で測定した。

図３から明らかなように、本実施の形態のケースモールド型コンデンサは、周波数９〜１１ｋＨｚの領域で比較例よりも１０〜２０ｄＢ低くなっている。

このように本実施の形態によるケースモールド型コンデンサは、コンデンサ素子１１が小判形の偏平面の中心部に貫通孔１３を有し、その貫通孔１３にモールド樹脂を充填することにより、コンデンサ素子１１の剛性が高くなり、また、貫通孔１３内の金属化フィルムがモールド樹脂で固定されるので、コンデンサ素子１１に電流を流して金属化フィルム間にローレンツ力が発生しても、金属化フィルルムの振動を抑えることができる。その結果、コンデンサ素子１１の振動が低減し、ケースモールド型コンデンサの騒音の発生が抑制される。

本発明によるケースモールド型コンデンサは、複数のコンデンサを１つのケース内に収納して樹脂モールドする場合に、使用電圧における耐振動性を抑制し、大容量化の性能を満足するもので、特にハイブリッド自動車のモータ駆動用インバータ回路の平滑用等に有用である。

１１コンデンサ素子
１２電極
１３貫通孔
１４Ｐ極バスバー
１４ａ電極接続部
１４ｂ外部接続用端子部
１５Ｎ極バスバー
１５ｂ外部接続用端子部
１６ケース

Claims

上面に開口部を有するケースと、
このケース内に収容され、一対の電極を有するコンデンサ素子と、
このコンデンサ素子の一対の電極にそれぞれ電極接続部を接続して外部接続端子部を有する一対のバスバーと、
前記ケース内に充填したモールド樹脂とを備えたケースモールド型コンデンサにおいて、
前記コンデンサ素子は、周面に円柱状の貫通孔を有し、前記円柱状の貫通孔に有機樹脂が充填されたことを特徴とするケースモールド型コンデンサ。
前記コンデンサ素子は、小判形の形状を有し、前記貫通孔は小判形の偏平面の中心部に設けられた請求項１に記載のケースモールド型コンデンサ。
前記コンデンサ素子は、誘電体フィルムに金属蒸着電極を形成した金属化フィルムにて形成され、
前記円柱状の貫通孔に充填される有機樹脂は、前記誘電体フィルムの材料と同種の樹脂である請求項１に記載のケースモールド型コンデンサ。