JP2010225970A - ケースモールド型コンデンサ - Google Patents

Abstract

【課題】安定した絶縁性能を有する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。
【解決手段】誘電体フィルムに金属を蒸着した金属化フィルムを積層または巻回したコンデンサ素子５と、一方の端部にこのコンデンサ素子５を接続した複数のバスバーと、このバスバーの他方に設けられた平板状の外部接続端子部１ｂ、２ｂと、コンデンサ素子５を収容する上面の開口したケース６と、外部接続端子部１ｂ、２ｂの一部を除いてバスバーおよびコンデンサ素子５を覆うようにケース６内に充填される充填樹脂とからなるケースモールド型コンデンサにおいて、複数のバスバーの外部接続端子部１ｂ、２ｂは互いに重なり合う重複部７を有し、この重複部７に絶縁シート３を巻き付けて絶縁しつつ覆い、かつ絶縁シート３と外部接続端子部１ｂの側面部１ｄとの間に隙間３ａを設け、この隙間３ａに充填樹脂が充填されたケースモールド型コンデンサとする。
【選択図】図１

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るケースモールド型コンデンサに関するものであり、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、スナバ用などに最適なケースモールド型コンデンサに関するものである。

産業用やハイブリッド自動車に代表される車両駆動用などにおけるパワーインバータシステムで用いられるケースモールド型コンデンサでは、特に、高い定格電圧、大きな耐電流性能などが要求される。

このケースモールド型コンデンサに用いられるフィルムコンデンサは、定格電圧が高く、耐電流性能に優れているが、コンデンサ素子１個の静電容量が小さいため、平滑用の場合複数個のコンデンサ素子を並列に接続することによって、必要とされる静電容量を実現している。

元来、車両駆動用などにおけるインバータシステムの駆動周波数は、１０ｋＨｚ程度の高周波であるため、並列接続するためのコンデンサの配線におけるインダクタンスが特に重要である。

これは、インダクタンスが大きくなるとサージ電圧を上昇させる結果となり、インバータの故障原因となりやすいためである。

このインバータにおいて、平滑用コンデンサとして用いられるフィルムコンデンサは、複数個のコンデンサ素子をバスバーなどによる配線で電気的に接続しているため、インダクタンスが大きくなってしまう。

そこで、平滑用コンデンサに加えて、インバータに用いられるスナバコンデンサにおいてもインダクタンスを低く抑えるため、異極のバスバーどうしを対向させ、極力対向間距離を小さくすることにより、相互インダクタンスを小さくする方法が用いられている。前記対向したバスバーには一方又は双方に絶縁シートを巻いて、絶縁を確保している。

このように接続されたコンデンサ素子を樹脂製のケースに収容し、樹脂を充填してケースモールド型コンデンサが構成されていた。

本発明者らは図８の斜視図に示すようなケースモールド型コンデンサにより、相互インダクタンスの低下を行いつつ、バスバーの重複部での樹脂界面におけるクラック発生を防止することができるケースモールド型コンデンサを提案している。

図８において、８１は誘電体フィルムに金属蒸着電極を設け、この誘電体フィルムを介して金属蒸着電極が対向するように巻回した端面に金属溶射によりメタリコン電極８１ａを形成したコンデンサ素子である。

８２は銅板などからなるＰ極バスバーで、コンデンサ素子８１の一方の端面にはんだ付けされており、また同様に８３は銅板などからなるＮ極バスバーであり、コンデンサ素子８１の他方の端面にはんだ付けされている。

８４は上面の開口した樹脂製のケースであり、コンデンサ素子８１とＰ極バスバー８２、Ｎ極バスバー８３とを収容するものであり、図８の点線で示された樹脂表面８５まで図示しない充填樹脂が充填されている。

このとき、Ｐ極バスバー８２の一部はケース８４から表出するように外部接続端子部８２ａを備えており、同様にＮ極バスバー８３の一部も外部接続端子部８３ａを備え、この外部接続端子部８２ａ、外部接続端子部８３ａの一部は互いに重なり合う重複部８６を有しており、この重複部が絶縁シート８７で覆われた構成となっている。

そしてこのケースモールド型コンデンサでは、バスバーの重複部を線膨張率が充填樹脂に近い絶縁シートで覆うことにより、大きな熱衝撃が加わった場合でもバスバーと充填樹脂の界面でのクラック発生を抑制することができるというものであった。

なお、本出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開２００８−２８８２４２号公報

上記従来のケースモールド型コンデンサにおいては、熱衝撃が加わった場合でもバスバーと充填樹脂の界面でのクラック発生を抑制し、耐湿性の向上が図ることができるものであったが、バスバーの外部接続端子部を外部機器と締結する際にねじれなどの応力が加わった場合、下記の新たな課題が発生することが明らかとなった。

すなわち、絶縁シートが外部接続端子部の側面部に当接している箇所では、反対側が充填樹脂で固定されているため、外部接続端子部に加えられたねじれ応力の逃げ場がなく、ねじれ応力により位置がずれた外部接続端子部の側面部により絶縁シートに機械的なストレスが加わることになる。

そしてこの機械的ストレスが加わった状態で、高温高湿の雰囲気下で高電圧が印加されて長期間使用された場合、この絶縁シートが外部接続端子部の側面部に当接している部分で破損し、絶縁破壊を起すという課題があった。

そこで、本発明は、Ｐ極バスバーとＮ極バスバーのような異極バスバー間の絶縁を確保するための絶縁シートの破損を防ぎ、安定した絶縁性能を有する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。

そしてこの目的を達成するために、本発明のケースモールド型コンデンサは、誘電体フィルムに金属を蒸着した金属化フィルムを積層または巻回したコンデンサ素子と、このコンデンサ素子の両端面にそれぞれ一方の端部が接続された一対のバスバーと、このバスバーの他方に設けられた平板状の外部接続端子部と、前記コンデンサ素子を収容する上面の開口したケースと、前記外部接続端子部の一部を除いて前記バスバーおよび前記コンデンサ素子を覆うようにケース内に充填される充填樹脂とからなるケースモールド型コンデンサにおいて、一対のバスバーの外部接続端子部は互いに重なり合う重複部を有し、この重複部の外部接続端子部の少なくとも一方を充填樹脂内から充填樹脂外に渡って連続的に絶縁シートを巻き付けて絶縁しつつ覆い、かつ前記絶縁シートと前記外部接続端子部の側面部との間には隙間が設けられ、この隙間に前記充填樹脂が充填されているものである。

本発明によれば、対向させた異極バスバーの重複部を絶縁するための絶縁シートと、外部接続端子部の側面部との間に隙間が設けられ、さらにこの隙間に充填樹脂が充填されているため、バスバーの外部接続端子部にねじれなどの応力がかかり、外部接続端子部の位置がずれた場合でもこの隙間の部分でストレスを吸収することができるため、絶縁シートが破損することなく、安定した絶縁性能を有するケースモールド型コンデンサを提供することができる。

以下、本発明のケースモールド型コンデンサについて、実施の形態および図面を用いて説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明におけるケースモールド型スナバコンデンサの実施の形態１の構成を説明するための分解斜視図、図２は図１の各構成要素を組み立てる途中を示す分解斜視図、図３は各構成要素を組み立てた状態を示す斜視図である。

図１および図２、図３において、５はコンデンサ素子であり、ポリエチレンテレフタレートなどの誘電体フィルム（図示せず）にアルミニウムや亜鉛などの金属蒸着電極（図示せず）を設け、この誘電体フィルムを介して金属蒸着電極が対向するように巻回したものの端面に亜鉛やスズなどの金属を溶射することによってメタリコン電極（図示せず）を備えたものである。

１は銅板からなる一対のバスバーのうちの一方のＮ極バスバーであり、コンデンサ素子５端面のメタリコン電極に、Ｎ極バスバーの一方の端部に設けられた、はんだ付け部１ａによって接続される。そしてＮ極バスバー１は、はんだ付け部１ａと反対側の他方の端部に外部接続端子部１ｂを備えている。

同様に２は銅板などからなる一対のバスバーのうちの他方のＰ極バスバーであり、Ｎ極バスバー１が接続されたコンデンサ素子５端面の反対側のメタリコン電極に、Ｐ極バスバー２の一方の端部に設けられた、はんだ付け部２ａによって接続されている。Ｐ極バスバー２もＮ極バスバー１と同様に、はんだ付け部２ａと反対側の他方の端部に外部接続端子部２ｂを備えている。

６はポリフェニレンサルファイドなどからなる上面の開口した樹脂製のケースであり、コンデンサ素子５とＮ極バスバー１、Ｐ極バスバー２とを収容するものである。また、４は主にエポキシ樹脂などからなる充填樹脂でケース６に充填され、このとき、Ｎ極バスバー１の外部接続端子部１ｂおよびＰ極バスバー２の外部接続端子部２ｂは、ケース６から表出している。

ここで、図２、図３に示すように、外部接続端子部１ｂと外部接続端子部２ｂの一部は互いに重なり合う重複部７を有するように取り付けられており、この重複部７を充填樹脂４内から充填樹脂４外に渡って連続的に絶縁シート３で巻き付けて絶縁しつつ覆い、かつ図３にＡ−Ａで示した位置での断面を表す斜視図である図４（ａ）に示すように、絶縁シート３とＮ極バスバー１の側面部１ｄとの間に隙間３ａを設けて覆い、この隙間３ａに充填樹脂４が充填されているものである。なお、本実施の形態１においてはＮ極バスバー１を絶縁シート３で覆うことで、重複部７の絶縁が確保できるようにしているが、Ｐ極バスバー２を絶縁シート３で覆って重複部７の絶縁を確保してもよい。

絶縁シート３は充填樹脂４表面の内外に渡って設けられるものであるが、絶縁性の紙からなるものであり、本実施の形態１では、アラミド繊維よりなるシートとポリエチレンナフタレートからなる複数層構造をしたものを用いている。

このように、Ｎ極バスバー１とＰ極バスバー２の重複部７において、どちらか一方のバスバーを絶縁シート３で絶縁しつつ覆い、かつ絶縁シート３とＮ極バスバー１（またはＰ極バスバー２）の側面部１ｄとが直接接触しないように、この間に隙間３ａを設けたのが本発明における技術的特徴であり、絶縁シート３で覆われているＮ極バスバー１（またはＰ極バスバー２）の外部接続端子部１ｂ（または２ｂ）に他の機器の端子を接続するときに、外部接続端子部１ｂ（または２ｂ）にねじれなどの応力が加えられ、外部接続端子部の位置がずれた場合でもこの隙間の部分で絶縁シートに加わるストレスを吸収することができ、絶縁シート３の破損を防ぐことができ、安定した絶縁性能を確保することができる。

さらに、当該ケースモールド型コンデンサが車両用として使用される場合の振動による応力が加わった場合においても、Ｎ極バスバー１（またはＰ極バスバー２）の側面部１ｄと絶縁シート３との間に隙間３ａが設けられることにより直接接触することがなく、絶縁シート３の破損を防ぎ、安定した絶縁性能を有するケースモールド型コンデンサとすることができる。

絶縁シート３とＮ極バスバー１（またはＰ極バスバー２）との間に所定の隙間３ａを設けるには、絶縁シート３を両面テープ等の接着手段でＮ極バスバー１（またはＰ極バスバー２）に固定した状態で、充填樹脂４を充填することにより隙間３ａ間に充填樹脂４が入り込み、固定されるものである。

次に隙間３ａの長さと絶縁性の確保との関係について検討した結果について説明する。

本実施の形態１において、隙間３ａをＮ極バスバー１の厚み１ｃを基準に変化させた試料を作製し、図５の側面図に示すようにＮ極バスバー１の外部接続端子部１ｂの先端が初期の位置から矢印で示した方向に２ｍｍ傾くようにねじ曲げた状態で、周囲温度９０℃、相対湿度１００％ＲＨ（飽和湿度）の高温高湿下でＮ極バスバー１とＰ極バスバー２の端子間にＤＣ１０００Ｖを印加し、絶縁抵抗の変化を測定した。

Ｎ極バスバー１の厚み１ｃは０．８ｍｍとし、隙間３ａが１ｃの１／２（０．４ｍｍ）としたものを実施例１、１ｃの１倍（０．８ｍｍ）としたものを実施例２、１ｃの２倍（１．６ｍｍ）としたものを実施例３、１ｃの３倍（２．４ｍｍ）としたものを実施例４とした。

また隙間３ａを設けず、絶縁シート３がＮ極バスバー１の側面部１ｄに接触した状態であること以外は実施例と同様に作製した試料を比較例とした。試料数は実施例、比較例とも３個とした。

これらの試料に高温高湿雰囲気下でＤＣ１０００Ｖを印加し、端子間絶縁抵抗の変化を測定した結果を図６（ａ）のグラフに示す。図６（ａ）の横軸は試験時間、縦軸は端子間絶縁抵抗である。また、５００時間経過後の隙間３ａの長さと絶縁抵抗の関係を図６（ｂ）のグラフに示す。図６（ｂ）の横軸は隙間３ａの長さとバスバー厚み１ｃとの比率、縦軸は絶縁抵抗である。

図６（ａ）から明らかなように、絶縁シート３とＮ極バスバー１の側面部１ｄとの隙間３ａがなく、絶縁シート３とＮ極バスバー１の側面部１ｄが接触した状態の比較例では試料３台中の１台で絶縁破壊が発生し、他の２台も破壊までには至らないが、端子間絶縁抵抗が低下していた。

比較例１で絶縁破壊した試料の外観を観察したところ、図７に示すように、充填樹脂４と絶縁シート３の界面付近の３ｂで示す部分に絶縁破壊が起こった跡が認められた。

これは、比較例の試料では絶縁シート３とＮ極バスバー１の側面部１ｄが直接接触しているため、外部接続端子部１ｂを予め変形させた時に、外部接続端子部１ｂの位置がずれ、この位置ずれにより外部接続端子部１ｂの側面部１ｄが絶縁シート３に直接接触する部分で絶縁シート３にストレスが加わり、その後の高温高湿下の電圧印加試験において、３ｂで示す充填樹脂４との界面に亀裂等が発生し、この亀裂から水分が浸入し、ショートして絶縁破壊に至ったものと考えられる。

これに対して本実施の形態１による実施例では、実施例１のように絶縁シート３とＮ極バスバー１の側面部１ｄとの隙間３ａがＮ極バスバー１の厚み１ｃの１／２以上であれば、絶縁破壊の発生は見られず、端子間絶縁抵抗の低下も小さかった。

さらに実施例２〜４のように隙間３ａがＮ極バスバー１の厚み１ｃの１倍〜３倍と長くなるにつれて、端子間絶縁抵抗の変化も小さくなっていることが分かる。

したがって、隙間３ａの長さがわずかでもあれば、絶縁シート３とＮ極バスバー１の側面部１ｄが直接接触することが避けられるため、外部接続端子部１ｂを変形させても応力が緩和され、絶縁シート３の破損を防ぐことができ、安定した絶縁性能を有するケースモールド型コンデンサとすることができる。

隙間３ａの長さとしては、Ｎ極バスバー１の厚み１ｃの１／２程度あれば絶縁破壊を防ぐことができ、また端子間絶縁抵抗の低下も小さいが、隙間３ａが長くなればより端子間絶縁抵抗の低下を抑制することができる。

しかし、図６（ａ）のグラフ結果に示すように、隙間３ａはＮ極バスバー１の厚み１ｃの２倍（実施例３）と３倍（実施例４）ではほとんど端子間絶縁抵抗の変化に差はなく、初期値からの変化も少ない。また、隙間３ａの長さを長く取りすぎるとケース６の大きさに影響するため、隙間３ａの長さはＮ極バスバー１の厚み１ｃの３倍程度とすることが好ましい。

また図６（ｂ）のグラフ結果に示すように、試験時間５００時間後の絶縁抵抗からみると、隙間３ａの長さがＮ極バスバー１の厚み１ｃの１倍（実施例２）から３倍（実施例４）の間では高い絶縁抵抗で安定しており、隙間３ａの長さはバスバーの厚み１ｃの１〜３倍とすることがより好ましい。

（実施の形態２）
実施の形態２が実施の形態１と異なるのは、実施例３において図４（ｃ）の部分拡大図に示すように、Ｎ極バスバー１に絶縁シート３を装着するときに両面テープ８を用いて、外部接続端子部２ｂの側面部１ｄと絶縁シート３との間に隙間を設けると共に、外部接続端子部２ｂの側面部１ｄに隣接する平面部１ｅとの境界の稜線部１ｆにおいても、絶縁シート３が外部接続端子部２ｂと接触しないように膨らんだ状態としたことである。そしてこの隙間には充填樹脂４が充填されており、打ち抜き作成時などに発生しやすい外部接続端子部２ｂのバリ（図示せず）や、外部接続端子部２ｂの稜線部１ｆと絶縁シートとの接触をより確実に避けることができるため、本発明の効果はより大きなものとなる。

本実施の形態２による試料を作製し、実施例５として実施の形態１と同様に高温高湿雰囲気下でＤＣ１０００Ｖを印加し、端子間絶縁抵抗の変化を測定した結果を図６（ａ）のグラフに併せて示す。

図６（ａ）のグラフから明らかなように、実施の形態２による実施例５ではさらに絶縁抵抗の変化が小さく、良好な結果が得られていることが分かる。

以上詳細に説明したように、本実施の形態によるケースモールド型コンデンサでは、Ｎ極バスバー１とＰ極バスバー２を重複部７で絶縁シート３を介してごく近い距離で接近させているので、バスバーの相互インダクタンスを低下させることができるとともに、バスバーの側面部１ｄと絶縁シートの直接接触を防いで絶縁シート３の破損を防ぐことができ、安定した絶縁性能を有するケースモールド型コンデンサとすることができる。

また、本実施の形態では絶縁シート３はアラミド繊維にポリエチレンナフタレートからなる複数層構造とし、充填樹脂４はエポキシ樹脂を主剤とするものとしたが、特に絶縁シート３が充填樹脂４に接する面はアラミド繊維からなる層とすることが好ましい。このようにすることで、絶縁シート３のアラミド繊維からなる層が、充填樹脂４の主剤であるエポキシ樹脂と密着して、クラックが発生しにくくなるものであり、クラック発生による耐湿性の低下をさらに抑制することができる。

さらに、絶縁シート３はポリエチレンナフタレートからなる層を有するものであることから、高い耐熱性を備えており、高温環境下での使用も可能となるものである。

また、本実施の形態では、誘電体フィルムをポリエチレンテレフタレートフィルムとしたが、これに限られるものではなく、ポリプロピレンやポリエチレンナフタレートやポリフェニルサルファイドなどの熱可塑性高分子フィルムであってもよい。また、これらの高分子を組み合わせたフィルムであってもよい。

本発明によるケースモールド型コンデンサは、近接させた異極のバスバーを絶縁シートで覆って絶縁を確保し、さらにバスバー側面部と絶縁シート間に隙間を設けて絶縁シートの破損を防ぐことにより、高温高湿中でも安定した絶縁性能を有するケースモールド型コンデンサとすることができるため、車載用のインバータ回路などに用いられるケースモールド型コンデンサとして有用である。

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分解斜視図 同ケースモールド型コンデンサの各構成要素を組み立てる途中を示す分解斜視図 同ケースモールド型コンデンサの各構成要素を組み立てた状態を示す斜視図 （ａ）図３のＡ−Ａ線で切断した断面を示す斜視図、（ｂ）同断面図、（ｃ）実施の形態２による断面の部分拡大図 同ケースモールド型コンデンサの外部接続端子部の先端を曲げた状態を示す側面図 （ａ）高温高湿雰囲気下での端子間絶縁抵抗測定結果を示すグラフ、（ｂ）隙間長さと試験時間５００時間後の絶縁抵抗との関係を示すグラフ 比較例の絶縁破壊部分を示す斜視図 従来のケースモールド型コンデンサの一例を示す斜視図

１ Ｎ極バスバー
１ａ はんだ付け部
１ｂ 外部接続端子部
１ｃ バスバー厚み
１ｄ 外部接続端子部の側面部
１ｅ 外部接続端子部の平面部
１ｆ 外部接続端子部の稜線部
２ Ｐ極バスバー
２ａ はんだ付け部
２ｂ 外部接続端子部
３ 絶縁シート
３ａ バスバー端面との隙間
３ｂ 絶縁破壊部
４ 充填樹脂
５ コンデンサ素子
６ ケース
７ 重複部
８ 両面テープ

Claims (3)

1. 誘電体フィルムに金属を蒸着した金属化フィルムを積層または巻回したコンデンサ素子と、前記コンデンサ素子の両端面にそれぞれ一方の端部が接続された一対のバスバーと、このバスバーの他方に設けられた平板状の外部接続端子部と、前記コンデンサ素子を収容する上面の開口したケースと、前記外部接続端子部の一部を除いて前記バスバーおよび前記コンデンサ素子を覆うように前記ケース内に充填される充填樹脂とからなるケースモールド型コンデンサにおいて、前記一対のバスバーの外部接続端子部は互いに重なり合う重複部を有し、この重複部の外部接続端子部の少なくとも一方を前記充填樹脂内から充填樹脂外に渡って連続的に絶縁シートを巻き付けて絶縁しつつ覆い、かつ前記絶縁シートと前記外部接続端子部の側面部との間には隙間が設けられ、前記隙間に前記充填樹脂が充填されていることを特徴とするケースモールド型コンデンサ。
2. 前記絶縁シートが前記外部接続端子部の側面部、及び前記側面部に隣接する平面部との境界の稜線部に渡って隙間を設けたことを特徴とする請求項１に記載のケースモールド型コンデンサ。
3. 前記絶縁シートと前記外部接続端子部の側面部との間の隙間の長さは前記外部接続端子部の厚みの１／２以上で３倍以下である請求項１または２に記載のケースモールド型コンデンサ。

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