JP2005093515A - 金属化フィルムコンデンサとその製造方法、および自動車駆動用インバータ回路とそれを用いた自動車 - Google Patents

Abstract

【課題】産業・自動車分野におけるインバータ回路では高電圧高周波用途での仕様が要望されるために、商用周波数に比べフィルムコンデンサからのフィルム振動、うなり音による騒音が大きくなるといった課題を有していた。
【解決手段】プラスチックフィルムに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たコンデンサ素子を少なくとも１個以上外装ケースに配置し、前記外装ケース内部を樹脂充填した金属化フィルムコンデンサであって、前記コンデンサ素子の外面に吸音防音材を配することで、コンデンサ素子の振動、うなり音が外部へ伝搬するのを抑制、遮音効果を高めることで、外部への騒音を更に低減した金属化フィルムコンデンサを得ることが出来る。
【選択図】図１

Description

本発明は、力率改善用の電力用、電気機器用、各種電源回路用及び通信機器等、また、直流用途の平滑用、フィルター用等高周波領域に使用される金属化フィルムコンデンサ、特に自動車駆動用に用いるインバータ回路の平滑用コンデンサに関するものである。

近年、環境への配慮から、あらゆる電気機器がインバータ回路で制御され、省エネ化、高効率化が進んでいる。また、ハイブリッド自動車などにもインバータ回路が採用され、省エネ化や高効率化する技術開発が活発化してきている中で、従来のインバータ回路に多く用いられている電解コンデンサに替わるものとして、耐電圧特性、寿命特性に優れるフィルムコンデンサが注目されている。

そして、従来のフィルムコンデンサは、金属化フィルムを備えるコンデンサ素子を、樹脂製ケース内に配置し、樹脂で封止（モールド）した乾式コンデンサが主流である。

また、電解コンデンサからフィルムコンデンサへの代替には、数百〜数千μＦといった大容量が必要となるために、スペース効率の高い扁平形状のコンデンサ素子を並列接続したものが用いられており、金属化フィルムコンデンサの最大の特徴である自己回復機能、耐電圧特性の向上がなされている。

しかし、産業・自動車分野におけるインバータ回路では高電圧高周波用途での仕様のため、商用周波数に比べフィルムコンデンサからのフィルム振動、うなり音による騒音が大きくなる、かつ高安全性への要求といった課題を有していた。これに対し、耐湿特性や交流電圧印加時のフィルム振動によるうなり音の軽減を実現するために、金属化フィルムコンデンサの各フィルム層間に熱硬化性シリコン樹脂を含浸することが提案されている（特許文献１参照）。
特開昭６３−２４９３１５号公報（図１）

しかしながら、上記した金属化フィルムコンデンサの各フィルム層間に熱硬化性シリコン樹脂を含浸した従来の金属化フィルムコンデンサでは、コンデンサの作成に新たな樹脂材料が必要となり、材料コスト面で不利となり、また工数面でも作業工数が増えることにより不利であり、より容易に目的達成できるものが望まれていた。

本発明は上記課題を解決するもので、高周波用途におけるコンデンサ騒音の少ない、かつ高安全性な金属化フィルムコンデンサおよびその製造方法を提供するものである。

上記の目的を達成するために、本発明の金属化フィルムコンデンサは、プラスチックフィルムに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たコンデンサ素子を少なくとも１個以上外装ケースに配置し、前記外装ケース内部を樹脂充填した金属化フィルムコンデンサであって、前記コンデンサ素子の外面に吸音防音材を配したものである。

また本発明の金属化フィルムコンデンサは、吸音防音材が、平板状でコンデンサ素子を覆うもの、またはコンデンサ素子の巻回外周面に密着させてコンデンサ素子を覆ったものである。

また本発明の金属化フィルムコンデンサは、コンデンサ素子の偏平率を４０％以上８０％以下の偏平形状であることを特徴とするものである。

また本発明の金属化フィルムコンデンサの製造方法は、プラスチックフィルムに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たコンデンサ素子をフィルム巻回後、巻回外周面から巻回中心に加圧した状態で熱処理して偏平形状のコンデンサを得る金属化フィルムコンデンサの製造方法である。

また本発明の金属化フィルムコンデンサは、金属化フィルムコンデンサに用いるプラスチックフィルムの平均表面粗さを０．０５〜０．１５μｍの範囲であることを特徴とするものである。

また本発明の自動車駆動用インバータ回路は、プラスチックフィルムに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たコンデンサ素子を少なくとも１個以上外装ケースに配置し、前記外装ケース内部を樹脂充填した金属化フィルムコンデンサであって、前記コンデンサ素子の外面に吸音防音材を配した金属化フィルムコンデンサを平滑用コンデンサとして用いることを特徴とするものである。

また本発明の自動車は、プラスチックフィルムに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たコンデンサ素子を少なくとも１個以上外装ケースに配置し、前記外装ケース内部を樹脂充填した金属化フィルムコンデンサであって、前記コンデンサ素子の外面に吸音防音材を配した金属化フィルムコンデンサを平滑用コンデンサとして自動車駆動用インバータ回路に用いることを特徴とするものである。

以上のように本発明の金属化フィルムコンデンサによれば、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。

（実施の形態１）
以下に本発明の実施の形態１について図１から図３を用いて説明する。

図１および図２は、本実施の形態における第１および第２の実施例の金属化フィルムコンデンサ外形図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図を示す。１は金属化フィルムから構成された巻回コンデンサ素子、２は樹脂ケース、３は接続端子、３ａはコンデンサ素子１の電極部どうしを接続するブスバー、４は充填樹脂、５は吸音防音材を示す。

これらの構成における金属化フィルムコンデンサについて、第１の実施例である図１を用いて説明する。まず、コンデンサ素子１はプラスチックフィルムの両面または片面に金属蒸着した金属化フィルムまたは金属蒸着しないプラスチックフィルムを重ねたものを巻回して形成する。なお、本実施の形態おいては、金属化フィルムを形成するプラスチックフィルムは、平均表面粗さ０．０８μｍのものを用いている。さらにコンデンサ素子１はフィルム巻回後、両端に金属溶射することにより、メタリコン電極１ａを形成している。

次にこれらコンデンサ素子１を、図１に示すように、樹脂ケース２内に複数個並べ、メタリコン電極１ａどうしをブスバー３ａで接続し、外部と接続するための接続端子３と接続させる。このとき、コンデンサ素子は並列接続としている。

続いてコンデンサ素子１の外側面と樹脂ケース２の内側面との間に、コンデンサ素子１を覆って、発泡ウレタンを材質とした吸音防音材５を配する。なお本実施の形態では、平板状の吸音防音材５を２枚用い、コンデンサ素子１を挟んでフィルム巻回外周面の両側に、鉛直方向にして設けている。

なお、図示していないが、樹脂ケース２の内側面には突起部が設けられており、コンデンサ素子１および吸音防音材５は、この突起部により保持され、吸音防音材５がコンデンサ素子１を覆った状態を保持して仮固定されている。

さらにこの状態で充填樹脂４を樹脂ケース２内部に充填する。なお、この充填樹脂４はエポキシ樹脂を用いている。

このようにして、複数のコンデンサ素子を樹脂ケースに内蔵させて並列接続し、コンデンサの複合体として大容量の金属化フィルムコンデンサを得る。

このように、金属化フィルムコンデンサを、樹脂ケース２内部に、コンデンサ素子１を覆って平板状の吸音防音材５を配した構造とすることにより、コンデンサ素子１の振動が外部へ伝搬するのを抑制、遮音効果を高め、外部への騒音を低減することができる。

なお、本実施の形態では、複数のコンデンサ素子を内蔵する例について示したが、コンデンサ素子が１個であってもコンデンサ素子を覆って吸音防音材を樹脂ケース内に配することで同様の効果が得られる。

なお、吸音防音剤の材質として発泡ウレタンを用いたが、具体的な材質として一例を上げると、高密度の発泡ウレタン（例えば商品名：ポロン、イノアック社とロジャー社の協同開発）を用いるとよい。また、発泡ウレタンの他、シリコンを用いても同様の効果が得られる。

また吸音防音材は、コンデンサ素子を挟んで巻回外周面両側に鉛直方向に２箇所備えるようにしたが、さらに吸音防音材を増やし、両方のメタリコン電極側面にも鉛直方向に備えるようにすれば、なお一層コンデンサ素子の振動が外部へ伝搬するのを抑制し、遮音効果を高めることができる。

また、図２は実施の形態１における金属化フィルムコンデンサの発展形である第２の実施例を示すもので、図２に示すように、吸音防音材５を平板状ではなく、コンデンサ素子の巻回外周面のさらに外側に密着させている。

このように、吸音防音材５を、コンデンサ素子に密着させて巻回したことにより、上記実施の形態１の作用に加え、コンデンサ素子１への水分侵入を遅延させることができ、長寿命化とすることができる。

さらに、図３は、図１および図２で示す本実施の形態に用いることにより、コンデンサ素子の振動が外部へ伝搬するのを抑制し、遮音効果を高める効果をより一層高めることができるコンデンサ素子を示すものであり、フィルム巻回後のコンデンサ素子１を外周面から巻回中心に加圧し、偏平形状として偏平コンデンサ素子６を得ている。

このようなコンデンサ素子を作成する方法について説明する。

まず、金属蒸着した金属化フィルム、または金属蒸着しないプラスチックフィルムを重ねたものを巻回してコンデンサ素子を形成する際に、図３で示すように、フィルムを巻回後に形成される素子外周Ａに対する、巻回時に巻回中心とした巻芯部の巻芯径Ｂの割合、Ｂ／Ａで表わされる偏平率が、４０％以上８０％以下となるようにして巻回する。次に上記した偏平率の範囲内となるように偏平形状にしたコンデンサ素子１を、外周面から巻回中心に加圧し、加圧した状態を保持しながら熱処理して偏平化したコンデンサ素子を形成する。

上記したように、コンデンサ素子の偏平率を４０％以上とすることで偏平成形時の応力を最適化し、偏平部のフィルム間の密着を高めることで、コンデンサ素子自体の振動を低減、通電時のうなり音を低減した金属化フィルムコンデンサを得ることができる。また、偏平率を８０％以下とすることで、工法的な面および偏平後の占有面積との面から適切な範囲とすることができる。

上記したような本実施の形態で得られた金属化フィルムコンデンサの試作品を作成し、比較するために作成した従来品とともに性能評価試験を行なったので、その結果について説明する。

以下に、本実施の形態で示した金属化フィルムコンデンサの実施例１から３についてその仕様を示す。

（実施例１）
図１で示すような、８個のコンデンサ素子を樹脂ケース内に並べ、並列接続し、巻回外周面にコンデンサ素子を挟むようにして吸音防音材を配した金属化フィルムコンデンサを実施例１とした。なお、吸音防音材は、平板状で発泡ウレタン製であり、コンデンサ素子を覆って鉛直方向に２箇所配した。また実施例１では、コンデンサ素子を偏平形状としておらず、また金属化フィルムコンデンサに用いるプラスチックフィルムの平均表面粗さは０．０８μｍのものを用いている。

（実施例２）
実施例１において、平板状の吸音防音材の代わりに、図２で示すように、吸音防音材を各コンデンサ素子の巻回外周に密着させて巻回させた金属化フィルムコンデンサを実施例２とした。また実施例２においても、コンデンサ素子を偏平形状としておらず、また金属化フィルムコンデンサに用いるプラスチックフィルムの平均表面粗さは０．０８μｍのものを用いている。

（実施例３）
実施例１または２において、吸音防音材を設けず、図３で示すように、偏平化率を４０％以上８０％以下の範囲である４０％とした偏平コンデンサ素子を用いた金属化フィルムコンデンサを実施例３とした。なお実施例３では、フィルム巻回後巻回面外側から巻回中心へ加圧し、加圧状態を保持したまま熱処理して偏平形状のコンデンサ素子を得ている。なお実施例３では、平均表面粗さは０．０８μｍのものを用いている。

次に、以下に、本実施例の金属化フィルムコンデンサに対する比較例の仕様を示す。

（比較例１）
実施例１において、コンデンサ素子の外面に吸音防音材を配しないこと以外は、実施例１と同様の方法で金属化フィルムコンデンサを試作し、比較例１とした。

（比較例２）
実施例１において、プラスチックフィルムの表面粗さ平均を０．０４μｍにしたこと以外は、実施例１と同様の方法で金属化フィルムコンデンサを試作し、比較例２とした。

（比較例３）
実施例１において、プラスチックフィルムの表面粗さ平均を０．１６μｍにしたこと以外は、実施例１と同様の方法で金属化フィルムコンデンサを試作し、比較例３とした。

（比較例４）
実施例３において、コンデンサ素子の扁平率を３０％としたこと以外は、実施例３と同様の方法で金属化フィルムコンデンサを試作し、比較例４とした。

（比較例５）
実施例３において、巻回したコンデンサ素子を外周面から巻回中心へ加圧後、加圧状態を保持しないで熱処理することで、偏平コンデンサ素子を得たこと以外は、実施例３と同様の方法で金属化フィルムコンデンサを試作し、比較例５とした。

以上のことをまとめると、表１のようになる。

（性能試験）
上記した実施例１から３、および比較例１から５の金属化フィルムコンデンサについて、１０ｋＨｚの周波数で２０Ａのリップルを有する電圧を通電した時の音と振動を測定した。このうちで音の測定結果を表２に示す。なお、音の測定については、ケース広幅面からマイクを１００ｍｍ離して測定した。

この表１の結果から、騒音レベルが最も低く良好なのは、実施例２の、吸音防音材をコンデンサ素子の巻回外周に密着させてさらに巻回したものであり、反対に最も悪いものは、比較例５の、吸音防音材がなく、コンデンサ素子を加圧状態を保持しないで熱処理し、偏平形状としたものであることがわかる。

また、吸音防音材をコンデンサ素子に密着して巻回したものでなく、実施例１の平板状にしたものであっても、吸音防音材を設けない比較例１よりは、騒音レベルはかなり低減できていることがわかる。

また、吸音防音材は設けていないが、コンデンサ素子を偏平形状にした実施例３では、コンデンサ素子を偏平形状にしない比較例１より騒音レベルがかなり低減できている。

さらに、実施例３では、偏平コンデンサ素子の偏平率を４０％以上８０％以下の範囲である４０％としたことで、偏平率を３０％とした比較例４より騒音レベルがかなり低減できている。これはコンデンサ素子の偏平率を４０％以上とすることで、偏平素子成形時の応力を最適化し、フィルム層間の密着度を高め、コンデンサ素子自体の振動を低減、うなり音が低減された結果と考えられる。

また、偏平率が同じ４０％以上であっても、加圧状態を保持して熱処理をした実施例３は、加圧状態を保持しないで熱処理をした比較例５に比べて、騒音レベルは低減できている。これは巻回コンデンサ素子を外周面から巻回中心に加圧した状態で熱処理することで、熱処理時のコンデンサ素子膨張を抑制し、プレス効率を高めることで、フィルム層間の密着度を高め、コンデンサ素子自体の振動を低減、うなり音が低減された結果と考えられる。

また、平板状の吸音防音材を設け、フィルムの平均表面粗さを０．０８μｍとした実施例１および０．０４μｍとした比較例２に対し、０．１６μｍとした比較例３は、平板状の吸音防音材を設けているにもかかわらず騒音レベルが高くなっている。これは、フィルムの平均表面粗さをが０．１５μｍ以上であるとフィルム層間の密着度が不足し、素子振動が大きくなった結果と思われる。

以上のことから、コンデンサ素子の外面又は巻回外周面に吸音防音材を配することで、コンデンサ素子のうなり音、振動が外部へ伝搬するのを抑制、遮音効果を高め、外部への騒音を低減できることがわかる。

また、吸音防音材を配して騒音を低減するには、金属化フィルムの平均表面粗さを小さくして、０．１５μｍ以下にする必要である。

さらに、巻回したコンデンサ素子を偏平率４０％以上８０％以下にして、加圧状態を保持して熱処理すること騒音低減に必要であることがわかる。

次に、実施例１および比較例２、３の金属化フィルムコンデンサにつ
いて、保安性試験である高温下でのＤＣ電圧ステップアップ試験行った結果を表２に示す。なお表１で示すように、実施例１および比較例２、３は、すべて吸音防音材は平板状であり、コンデンサ素子の偏平化はなく、フィルムの平均表面粗さのみが異なる。

表３に示した性能試験結果は、周囲温度１００℃の下で、各試験品に印可するＤＣ電圧をＤＣ１００Ｖから５０Ｖずつステップ的に上昇させ、容量減少率が９７％に達するまで印可電圧を上げて絶縁破壊の有無を各５台について示すものである。表３の結果で示すように、比較例２のフィルムの平均表面粗さ０．０４μｍのもののみ、５個中３個が正常動作せず、絶縁破壊を起こした。これに対し、実施例１の平均表面粗さ０．０８μｍ、比較例３の平均表面粗さ０．１６μｍのものは、５個中のすべてが絶縁破壊を起こさず正常動作した。

これは、フィルムの平均表面面粗さが０．０４μｍの比較例１では、フィルム層間に十分にクリアランスを保てず自己回復性に劣り、保安性の動作が正常に機能できずにコンデンサショートが発生したためであると思われる。

この結果、このＤＣ電圧ステップアップ試験と、表２の騒音測定の結果から、コンデンサの自己回復性と騒音のバランスとの関係で、フィルム表面粗さは０．０５μｍ〜０．１５μｍの範囲内が望ましいことがわかる。

次に、周囲温度８５℃、湿度８５％ＲＨの環境下で、実施例１、２および比較例１について行なった耐湿放置試験結果を表４に示す。なお、実施例１、２および比較例１は、表１で示すように、フィルムの平均表面粗さはすべて０．０８μｍであり、コンデンサ素子の偏平化はなく、吸音防音材が異なるのみであり、実施例１では平板状とし、実施例２ではコンデンサ素子に密着してさらに外周に巻回し、比較例１では吸音防音材を備えていない。

表４は、実施例１、２および比較例１において、周囲温度８５℃、湿度８５％ＲＨの環境下で、１０００時間放置した後の、容量減少率を測定した結果を示したものである。

表４からわかるように、実施例１、２においては、比較例１に比べて容量変化率が少ない結果となった。この結果から、吸音防音材を素子外面または外周面に設けることでコンデンサ素子への水分侵入を遅延させ、さらにコンデンサ素子に密着させて巻回外周部に吸音防音材を配することで、コンデンサ素子への水分侵入をさらに遅延させることができることがわかる。

また、上記した本実施の形態の金属化フィルムコンデンサは、特に自動車駆動用インバータ回路の平滑用コンデンサとして用いることで、自動車に搭載する際の厳しい使用条件に対して耐えることができるので非常に有用である。

本発明の金属化フィルムコンデンサは、自動車に搭載するモータ駆動用インバータ回路を始め、力率改善用の電力用、電気機器用、各種電源回路用及び通信機器等、また、直流用途の平滑用、フィルター用等高周波領域用の民生、産業用電気機器に広く利用可能である。

（ａ）本発明の実施の形態における第１の実施例の金属化フィルムコンデンサの正面図（ｂ）同側面図 （ａ）本発明の実施の形態における第２の実施例の金属化フィルムコンデンサの正面図（ｂ）同側面図 本発明の実施の形態におけるコンデンサ素子外形図

符号の説明

１ コンデンサ素子
２ 樹脂ケース
４ 充填樹脂
５ 吸音防音材
６ 扁平型コンデンサ素子

Claims (10)

1. プラスチックフィルムに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、前記コンデンサ素子を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であって、前記コンデンサ素子の外側面と前記外装ケース内側面との間に、吸音防音材を配した金属化フィルムコンデンサ。
2. 吸音防音材は平板状であり、コンデンサ素子を覆って配した請求項１記載の金属化フィルムコンデンサ。
3. 吸音防音材はコンデンサ素子の巻回外周面に密着して巻回し、コンデンサ素子を覆って配した請求項１記載の金属化フィルムコンデンサ。
4. コンデンサ素子は、フィルム外径に対するフィルム巻回時の巻芯径の比で表わす偏平率を４０％以上８０％以下となるようにして巻回した巻回フィルムを偏平させて偏平形状としたものである請求項１から３のいずれかに記載の金属化フィルムコンデンサ。
5. 吸音防音材は、材質が発泡ウレタンである請求項１から４のいずれかに記載の金属化フィルムコンデンサ。
6. 吸音防音材は、材質がシリコンである請求項１から４のいずれかに記載の金属化フィルムコンデンサ。
7. 金属化フィルムに用いるプラスチックフィルムの表面粗さは０．０５μｍ〜０．１５μｍの範囲である請求項１から６のいずれかに記載の金属化フィルムコンデンサ。
8. プラスチックフィルムに片面または両面に金属蒸着した金属化フィルムを、フィルム外径に対するフィルム巻回時の巻芯径の比で表わす偏平率を４０％以上８０％以下となるように巻回してコンデンサ素子を形成するステップと、巻回外周面から巻回中心に加圧力が略一定となるように加圧した状態で熱処理し、前記コンデンサ素子を偏平形状にするステップと、前記コンデンサ素子１個または複数個を外装ケースに内蔵するステップと、前記コンデンサ素子の外側面と前記外装ケース内側面との間に、吸音防音材を配するステップと、前記外装ケース内に樹脂充填するステップとを有する金属化フィルムコンデンサの製造方法。
9. プラスチックフィルムに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、前記コンデンサ素子を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であって、前記コンデンサ素子の外側面と前記外装ケース内側面との間に、吸音防音材を配した金属化フィルムコンデンサを平滑用コンデンサとして用いる自動車駆動用インバータ回路。
10. プラスチックフィルムに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、前記コンデンサ素子を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であって、前記コンデンサ素子の外側面と前記外装ケース内側面との間に、吸音防音材を配した金属化フィルムコンデンサを平滑用コンデンサとして用いる自動車駆動用インバータ回路を用いた自動車。

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