JP6426597B2 - コンデンサおよびモジュール - Google Patents

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Description

本発明は、コンデンサおよびモジュールに関する。
特許文献1、2には、コンデンサがショートしたときに流れる過電流を抑制するためヒューズ機能を備えたコンデンサモジュールが記載されている。ヒューズの可溶部をメッシュとすることが知られている(特許文献3)。ヒューズに複数の溶断路を設けることが知られている(特許文献4)。
特開2005−116642号公報 特開2005−123516号公報 特開2011−86512号公報 特開平9−283000号公報
コンデンサ素子がショート故障した場合に備えてコンデンサ素子に直列にヒューズを設けることがある。ヒューズ素子の溶断領域は細くするが、これによって電流が集中するので溶断領域における寄生インダクタンスが大きくなってしまう。
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、寄生インダクタンスを抑制することを目的とする。
本発明は、コンデンサ素子と、前記コンデンサ素子に一端が接続され、前記一端から他端に至る経路が1つの経路である第1領域および第2領域と、前記第1領域と前記第2領域との間に設けられ、前記経路が複数の経路に並列に分割された第3領域と、を各々備える複数の接続端子と、を具備し、前記複数の接続端子の前記第3領域は互いに並列に接続され、前記複数の接続端子の配列方向からみて、前記複数の接続端子内の前記第3領域は重なり、前記複数の接続端子の前記複数の経路は前記配列方向に配列することを特徴とするコンデンサである。
上記構成において、前記複数の接続端子の前記第3領域の幅は、前記複数の接続端子の前記第1領域および前記第2領域の幅に略等しい構成とすることができる。
上記構成において、前記複数の経路は略平行である構成とすることができる。
上記構成において、前記複数の接続端子の前記第1領域間を電気的に接続する第1接続配線と、前記複数の接続端子の前記第2領域間を電気的に接続する第2接続配線と、を具備する構成とすることができる。
上記構成において、前記複数の接続端子の少なくとも一部の接続端子間を電気的に接続する接続配線を具備する構成とすることができる。
上記構成において、前記第3領域はヒューズを含む構成とすることができる。
本発明は、基板と、前記基板上に設けられた請求項1から6のいずれか一項記載のコンデンサと、を具備し、前記複数の接続端子の前記他端は前記基板に電気的に接続されることを特徴とするモジュールである。
上記構成において、複数の前記コンデンサが設けられ、前記基板は、前記複数のコンデンサのそれぞれの一端を共通に電気的に接続する第1バスバーと、前記複数のコンデンサのそれぞれの他端を共通に電気的に接続する第2バスバーと、を含み、前記複数の接続端子は、前記一端と前記第1バスバーとの間と、前記他端と前記第2バスバーとの間と、の少なくとも一方の間に直列に電気的に接続されている構成とすることができる。
本発明によれば、寄生インダクタンスを抑制することができる。
図1(a)から図1(c)は、それぞれサンプルA、BおよびCの平面図である。 図2は、サンプルAからCについて、溶断領域の長さに対する抵抗およびインダククタンスを示す図である。 図3は、サンプルBの溶断領域の断面における磁場を示す図である。 図4(a)は、実施例1に係るモジュールの回路図、図4(b)は、コンデンサの平面図、図4(c)は、コンデンサの側面図、図4(d)は、図4(b)のA−A断面図である。 図5(a)および図5(b)は、実施例1における接続端子の例を示す側面図である。 図6は、実施例1における接続端子の溶断領域の断面における磁場を示す図である。 図7(a)は、実施例1の変形例1に係るコンデンサの側面図、図7(b)は、斜視図、図7(c)は、接続端子の側面図である。 図8は、実施例1の変形例2に係るコンデンサの断面図である。 図9は、実施例2に係るモジュールの回路図である。 図10(a)は、実施例2に係るモジュールの平面図、図10(b)は、図10(a)のA−A断面図である。 図11は、実施例2における基板に搭載されたコンデンサの平面図である。 図12(a)から図12(c)は、それぞれ図11のA−A断面図、B−B断面図およびC−C断面図である。
積層セラミックコンデンサは、内部電極に挟まれた誘電体セラミックシートが積層されたコンデンサである。誘電体セラミックシートの欠陥または内部電極の凝集物により、内部電極間の絶縁性が劣化することがある。また、外部からの機械的な衝撃により、または誘電体セラミックシートの圧電性による機械的疲労により、誘電体セラミックシートにクラック等が形成されることがある。さらに、誘電体セラミックシートの絶縁性が劣化すると電流が流れる。このときのジュール熱により加熱された部分が膨張する。加熱された部分とその周囲との熱膨張の差に起因し誘電体セラミックシートにクラックが形成されることがある。このようなことに起因しコンデンサがショートすると、コンデンサに接続されている回路に過電流が流れ回路が故障する。以上、積層セラミックコンデンサを例に説明したが、ショートは一般的なコンデンサ共通の故障であり、積層セラミックコンデンサ以外のコンデンサにおいても問題となる。
そこで、コンデンサに直列にヒューズを設ける。これにより、コンデンサがショートとした場合に、ヒューズが溶断し、回路に過電流が流れることを抑制できる。コンデンサの端子の一部をヒューズとすることで、ヒューズを別途設けなくともよくなる。しかしながら、端子の一部をヒューズとするために、幅の狭い溶断領域を設けると、寄生インダクタンスが大きくなる。
そこで、ヒューズのインダクタンスについて測定した。ヒューズはサンプルAからCのタイプを準備した。図1(a)から図1(c)は、それぞれサンプルA、BおよびCの平面図である。図1(a)に示すように、サンプルAは幅の広い幅広領域23aおよび23cと溶断領域23bとを備えている。溶断領域23bは幅広領域23aおよび23cの間に設けられており、幅広領域23aおよび23cより幅が狭い。溶断領域23bの長さを長さL、幅を幅Wとする。サンプルAでは幅W=W0(一定値)である。サンプルAに大きな電流が流れると、溶断領域23bの電流密度が高くなり、溶断領域23bにおいて接続端子22aは溶断する。
図1(b)に示すように、サンプルBでは、溶断領域23bにおいて2つの経路25が設けられている。2つの経路25のそれぞれの幅はW/2である。サンプルAの幅WをW0としたとき、2つの経路25のそれぞれの幅W/2はW0/2である。サンプルAとBとでは溶断領域23bのトータルの幅はいずれもW=W0である。図1(c)に示すように、サンプルCでは、溶断領域23bの幅WがW0/2である。
溶断領域23bの長さLの異なるサンプルAからCについて、抵抗およびインダクタンスを測定した。図2は、サンプルAからCについて、溶断領域23bの長さに対する抵抗およびインダクタンスを示す図である。各サンプルについて、長さL2、L3およびL4は、それぞれ長さL1の3倍、5倍および7倍である。三角のドットは測定した抵抗値、丸のドットは測定したインダクタンスである。
断面積の小さい溶断領域23bが存在すると、サンプルAからCの抵抗およびインダクタンスに占める溶断領域23bにおける抵抗値およびインダクタンスが大きくなる。図2に示すように、サンプルA、BおよびCとも長さLを変えることで、溶断領域23bにおける抵抗値およびインダクタンスの大きさが変わる。サンプルAからCとも、溶断領域23bの長さLが大きくなると抵抗値が大きくなる。サンプルAとサンプルBとでは長さLに対する抵抗の増加の傾きはほぼ同じである。サンプルCはサンプルBの約2倍の傾きとなる。これは、サンプルAとBとで溶断領域23bの断面積はほぼ同じであるが、サンプルCの溶断領域23bの断面積はサンプルAおよびBの約半分であるためである。サンプルAおよびCでは、長さLに対するインダクタンスの増加の傾きが大きい。一方、サンプルBでは、サンプルAおよびBに比べ、長さLに対するインダクタンスの増加の傾きが小さい。このように、サンプルBはサンプルAとほぼ同じ抵抗であるが、インダクタンスは小さくなる。
図3は、サンプルBの溶断領域の断面における磁場を示す図である。図3に示すように、溶断領域23bにおける2つの経路25aおよび25に奥行き側に電流が流れる。アンペールの法則にしたがって経路25aおよび25bの回りに右回りに磁場50aおよび50bが生成される。経路25aと25bとの間では、磁場50aと50bとは逆向きである。このため、磁場50aと50bとが打ち消しあう。よって、インダクタンスが小さくなる。これにより、図2のように、サンプルBの溶断領域23bに起因したインダクタンスが抑制される。
以下、上記ヒューズを用いたコンンデンサの実施例について説明する。
図4(a)は、実施例1に係るモジュールの回路図、図4(b)は、コンデンサの平面図、図4(c)は、コンデンサの側面図、図4(d)は、図4(b)のA−A断面図である。図4(a)に示すように、端子17aと17bとの間にコンデンサ素子20とヒューズ24とが直列に電気的に接続されている。図4(b)から図4(d)に示すように、コンデンサ100において、コンデンサ素子20の異なる側面に接続端子22aおよび22bが接続されている。接続端子22aおよび22bはそれぞれ1本でもよいし、複数本でもよい。接続端子22aにはヒューズ24が設けられている。接続端子22aは図4(a)におけるコンデンサ素子20から端子17aに至る経路に対応し、接続端子22bはコンデンサ素子20から端子17bに至る経路に対応する。
図5(a)および図5(b)は、実施例1における接続端子の例を示す側面図である。図5(a)に示すように、接続端子22aは幅広領域23a、23cおよび溶断領域23bを備えている。幅広領域23aは、コンデンサ素子20に接続される。幅広領域23cは、外部の端子等に接続される。溶断領域23bは幅広領域23aおよび23cの間に設けられている。溶断領域23bの厚さは幅広領域23aおよび23cとほぼ同じである。溶断領域23bには2つの経路25aおよび25bが設けられている。経路25aと25bの間に開孔54が形成されている。これにより、溶断領域23bの断面積は幅広領域23aおよび23cより小さくなる。このため、接続端子22aに大きな電流が流れると、溶断領域23bの温度が上昇し溶断領域23bが溶断する。接続端子22aを流れる電流の経路は、幅広領域23aにおいて1本の経路であるが、溶断領域23bにおいて複数の経路25aおよび25bに分割され、幅広領域23cに再び1本の経路となる。このため、図3のように、複数の経路25aおよび25bの間において、経路を流れる電流により誘起された磁場が打ち消すため、寄生インダクタンスを抑制できる。
経路25aと25bの間隔Wd(経路の中心の間隔)は、磁場を打ち消す観点から大きいほうが好ましい。しかしながら、溶断領域23bの幅Wbが幅広領域23aおよび23cの幅より大きくなると、接続端子22a同士の間隔を小さくできない。そこで、幅広領域23a、溶断領域23bおよび幅広領域23cの幅WaからWcをほぼ同じとする。これにより、溶断領域23bにおける経路25aと25bとの間隔Wdを、溶断領域23bの幅Wbが幅広領域23aおよび23cの幅WaおよびWcより大きくならない範囲で、最も大きくできる。
図5(b)に示すように、接続端子22aにおいて、溶断領域23bに複数の開孔54が形成されている。このため、3つの経路25aから25cが形成されている。経路25aから25cは経路の途中において互いに電気的に接続されている。並列な複数の経路25aから25cの数は任意に設定できる。また、経路の途中で経路25aから25c間が電気的に接続されていてもよい。
図6は、実施例1における接続端子の溶断領域の断面における磁場を示す図である。図6に示すように、経路25aおよび25bの周りに磁場50aおよび50bが生成される。図3において説明したように、接続端子22a内の経路25aおよび25bの間において、磁場50aと50bとが打ち消しあう。さらに、隣り合う接続端子22aにより、生成される磁場50aと50bとが、隣り合う接続端子22aの間の領域で打ち消しあう。これにより、寄生インダクタンスをより抑制できる。以上のように、接続端子22aおよび22bは各々1つでもよい。しかしながら、接続端子22aおよび22bを各々複数とすることで、寄生インダクタンスをより抑制できる。
図7(a)は、実施例1の変形例1に係るコンデンサの側面図、図7(b)は、斜視図、図7(c)は、接続端子の側面図である。図7(a)から図7(c)に示すように、接続端子22a間を接続する接続配線27が設けられている。その他の構成は、実施例1と同じであり、説明を省略する。接続配線27により、複数の接続端子22aの強度を高めることができる。
図8は、実施例1の変形例2に係るコンデンサの断面図である。図8に示すように、ヒューズ24は、接続端子22aおよび22bの両方に設けられている。接続端子22aおよび22bにヒューズ24を含む溶断領域(図5(a)および図5(b)参照)が形成されていている。その他の構成は実施例1と同じであり説明を省略する。実施例2のように、実施例1およびその変形例1において、接続端子22aおよび22bの両方に溶断領域23bが設けられていてもよい。
コンデンサ素子20は、例えばチタン酸バリウム等を誘電体とする積層セラミックコンデンサである。コンデンサ素子20は他のコンデンサでもよい。接続端子22aおよび22bは、例えば銅等の金属端子であり、例えば銅板に開孔52を設け、屈曲させたものである。接続端子22aおよび22bの材料としては、銅以外にニッケル、金、銀、アルミニウム等、またはこれらの混合物でもよい。
実施例1およびその変形例において、接続端子22aは、幅広領域23a(第1領域)、溶断領域23b(第3領域)および幅広領域23c(第2領域)を備えている。幅広領域23aおよび23cは、一端から他端に至る経路が1つの経路である。溶断領域23bは、幅広領域23aと23bとの間に設けられ、複数の経路25aおよび25bに並列に分割されている。これにより、図3のように、経路25aと25bとの間における磁場50aおよび50bが打ち消しあい、接続端子22aの寄生インダクタンスを抑制できる。
図5(a)のように、溶断領域23bにおける接続端子22aの幅Wb(接続端子の第3領域の幅)は、幅広領域23aおよび23cにおける接続端子22aの幅WaおよびWc(接続端子の第1領域および第2領域の幅)と略等しい。これにより、接続端子22aの間隔を大きくせずに寄生インダクタンスをより抑制できる。なお、幅Wbは幅WaおよびWcと、接続端子22aの間隔を大きくしなくてもよい程度に等しければよい。
また、複数の経路25aと25bは略平行である。これにより、寄生インダクタンスをより抑制できる。経路25aと25bとは、寄生インダクタンスがより抑制できる範囲で平行であればよい。
図4(c)に示すように、複数の接続端子22aの配列方向からみて、複数の接続端子22a内の溶断領域23bの少なくとも一部は重なる。これにより、図6のように、接続端子22a間においても磁場が打ち消しあう。よって、寄生インダクタンスをより抑制できる。また、1本のヒューズ24が溶断するときの放電エネルギーを小さくできるため、アーク放電の発生を抑制できる。並列に接続するヒューズ24の数は適宜設定できる。
実施例1の変形例1のように、複数の接続端子22aの少なくとも一部の接続端子間を電気的に接続する接続配線27を備える。これにより、接続端子22aの強度を高めることができる。また、溶断領域23bを流れる電流をより平均化できる。
実施例2は、電源間に接続される平滑コンデンサとして用いられるモジュールの例である。図9は、実施例2に係るモジュールの回路図である。図9に示すように、外部端子18aおよび18bの間に並列に複数のコンデンサ素子20が接続されている。各コンデンサ素子20と外部端子18aとの間に並列に複数のヒューズ24が接続されている。外部端子18aおよび18bの間には、例えば直流電圧が印加される。外部端子18aおよび18bは、例えばそれぞれ正側および負側の端子である。
図10(a)は、実施例2に係るモジュールの平面図、図10(b)は、図10(a)のA−A断面図である。図10(a)は、上面の筐体を透過して図示している。図10(a)および図10(b)に示すように、モジュール104において、基板10は、絶縁層14とバスバー12aおよび12bを備える。バスバー12aおよび12bは、平板状であり絶縁層14の上下にそれぞれ設けられている。基板10の上下にコンデンサ素子20が接着剤26を介し搭載されている。バスバー12aおよび絶縁層14を貫通する孔16aとバスバー12bおよび絶縁層14とを貫通する孔16bとが設けられている。接続端子22aはコンデンサ素子20とバスバー12aとを電気的に接続する、接続端子22bはコンデンサ素子20とバスバー12bとを電気的に接続する。基板10の上側では、接続端子22bは孔16aを介しバスバー12bに接続される。基板10の下側では、接続端子22aは孔16bを介しバスバー12aに接続される。接続端子22aの一部にヒューズが設けられている。
基板10、コンデンサ素子20およびヒューズ24を囲むように箱状の筐体30が設けられている。外部端子18aおよび18bが筐体30の一面に設けられている。外部端子18aおよび18bはそれぞれバスバー12aおよび12bと電気的に接続されている。外部端子18aおよび18bには孔19が形成されている。孔19は、外部端子18aおよび18bを外部とボルトで接続するための孔である。
図11は、実施例2における基板に搭載されたコンデンサの平面図である。図12(a)から図12(c)は、それぞれ図11のA−A断面図、B−B断面図およびC−C断面図である。図11から図12(c)では、基板10の上側のコンデンサ素子20を図示し、基板10の下側のコンデンサ素子20の図示を省略している。図11から図12(c)に示すように、コンデンサ素子20の一面に形成された外部電極29aに6本の接続端子22aが接続され、他面に形成された外部電極29bに6本の接続端子22bが接続されている。外部電極29aおよび29bは銅膜またはニッケル膜等の金属膜である。接続端子22aはバスバー12aに半田等を用い接続されている。接続端子22bは3本ずつ孔16aを介しバスバー12bに半田等を用い接続されている。接続端子22aには溶断部が形成されている。溶断部がヒューズ24として機能する。コンデンサ素子20は、積層セラミックコンデンサである。複数の接続端子22a同士は接続配線で接続されていてもよい。複数の接続端子22b同士は接続配線で接続されていてもよい。
図9(a)および図12(c)のように、外部端子18aは、バスバー12aおよび接続端子22aを介し複数のコンデンサ素子20の一端に電気的に接続される。外部端子18bは、バスバー12bおよび接続端子22bを介し複数のコンデンサ素子20の一端に電気的に接続される。これにより、外部端子18aおよび18bの間に複数のコンデンサ素子20が並列に接続される。バスバー12aおよび12bは複数の接続端子22aおよび22bを共通に接続する。バスバー12aおよび12bにより、外部端子18aおよび18bと複数のコンデンサ素子20との間に寄生インダクタンスを抑制できる。さらに、1つのコンデンサ素子20に複数の接続端子22aおよび複数の接続端子22bが接続されている。これにより、バスバー12aおよび12bを流れる電流が分散し、寄生インダクタンスを抑制できる。1つのコンデンサ素子20に対し複数の孔16aまたは複数の孔16bを設ける。これにより、バスバー12aおよび12bを流れる電流の経路を確保できる。1つのコンデンサ素子20に対し1つの孔16aまたは1つの孔16bを設け、接続端子22aまたは22bの数を増やしてもよい。これにより、バスバー12aまたは12bとコンデンサ素子20との間の寄生インダクタンスを抑制できる。
実施例2のモジュールは、例えば電気自動車の駆動用モータを用いるインバータの一次側平滑コンデンサに用いる。モジュールの仕様は、例えば動作電圧が200V、定格電圧が400V、静電容量が240μF、最大リップル電流が300Aおよび短絡故障時電流が1200Aである。動作電圧を例えば48V以上かつ720V以下、静電容量を例えば47μF以上かつ630μFとすることができる。このように、実施例2およびその変形例のモジュールは、インバータまたはコンバータ等の電源回路の一次側平滑コンデンサに用いることができる。
絶縁層14としては、例えばエポキシ樹脂またはポリミド樹脂等の耐熱性の高い絶縁樹脂を用いることができる。バスバー12aおよび12bとして、例えば銅板等の金属板を用いることができる。接続端子22aおよび22bとして、例えば銅板等の金属板を用いることができる。1本の接続端子22aおよび22bの抵抗は例えば1mΩ程度である。筐体30は、難燃性樹脂、セラミックスまたは絶縁塗装した金属などの絶縁性である。筐体30と、バスバー12a、12bおよび外部端子18a,18bと、の間にはシリコーン樹脂等の耐熱性の高い絶縁層を設けてもよい。
実施例2では、接続端子22aがヒューズ24を含む例を説明したが、接続端子22bがヒューズ24を含んでもよい。接続端子22aおよび22bの両方がヒューズ24を含んでもよい。また、ヒューズ24を覆うように消弧剤が設けられていてもよい。消弧剤は、ヒューズ24が溶断するときのアーク放電等を抑制する。
実施例2によれば、コンデンサ素子20が基板10上に設けられている。接続端子22aおよび22bは基板10に電気的に接続される。このように、実施例1およびその変形例のコンデンサを基板に搭載し、モジュールとすることができる。
バスバー12aは、複数のコンデンサ素子20のそれぞれの一端を共通に電気的に接続する。バスバー12bは、複数のコンデンサ素子20のそれぞれの他端を共通に電気的に接続する。このように、大電流が流れるモジュールにおいては、コンデンサ素子20のショートによる過電流が問題となる。そこで、ヒューズ24をコンデンサ素子20の一端とバスバー12aとの間と、コンデンサ素子20の他端とバスバー12bとの間と、の少なくとも一方の間に直列に電気的に接続する。これにより、モジュールを大型化せずに、過電流を抑制できる。
しかしながら、ヒューズ24を設けると、寄生インダクタンスが大きくなる。そこで、接続端子22aおよび22bの少なくとも一方にヒューズを設けた実施例1およびその変形例に係るコンデンサを用いる。これにより、寄生インダクタンスを抑制できる。
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
10 基板
12a、12b バスバー
20 コンデンサ素子
22a,22b 接続端子
23a、23c 幅広領域
23b 溶断領域
24 ヒューズ
25a−25c 経路
27 接続配線

Claims (8)

  1. コンデンサ素子と、
    前記コンデンサ素子に一端が接続され、前記一端から他端に至る経路が1つの経路である第1領域および第2領域と、前記第1領域と前記第2領域との間に設けられ、前記経路が複数の経路に並列に分割された第3領域と、を各々備える複数の接続端子と、
    を具備し、
    前記複数の接続端子の前記第3領域は互いに並列に接続され、
    前記複数の接続端子の配列方向からみて、前記複数の接続端子内の前記第3領域は重なり、
    前記複数の接続端子の前記複数の経路は前記配列方向に配列することを特徴とするコンデンサ。
  2. 前記複数の接続端子の前記第3領域の幅は、前記複数の接続端子の前記第1領域および前記第2領域の幅に略等しいことを特徴とする請求項1記載のコンデンサ。
  3. 前記複数の経路は略平行であることを特徴とする請求項1または2記載のコンデンサ。
  4. 前記複数の接続端子の少なくとも一部の接続端子間を電気的に接続する接続配線を具備することを特徴とする請求項1から3のいずれか一項記載のコンデンサ。
  5. 前記複数の接続端子の前記第1領域間を電気的に接続する第1接続配線と、
    前記複数の接続端子の前記第2領域間を電気的に接続する第2接続配線と、
    を具備することを特徴とする請求項1から3のいずれか一項記載のコンデンサ。
  6. 前記第3領域はヒューズを含むことを特徴とする請求項1から5のいずれか一項記載のコンデンサ。
  7. 基板と、
    前記基板上に設けられた請求項1から6のいずれか一項記載のコンデンサと、
    を具備し、
    前記複数の接続端子の前記他端は前記基板に電気的に接続されることを特徴とするモジュール。
  8. 複数の前記コンデンサが設けられ、
    前記基板は、前記複数のコンデンサのそれぞれの一端を共通に電気的に接続する第1バスバーと、前記複数のコンデンサのそれぞれの他端を共通に電気的に接続する第2バスバーと、を含み、
    前記複数の接続端子は、前記一端と前記第1バスバーとの間と、前記他端と前記第2バスバーとの間と、の少なくとも一方の間に直列に電気的に接続されていることを特徴とする請求項7記載のモジュール。
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