JP6938662B2 - フィルムコンデンサ、連結型コンデンサと、これを用いたインバータおよび電動車輌 - Google Patents
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Description
本開示は、フィルムコンデンサ、連結型コンデンサと、これを用いたインバータおよび電動車輌に関するものである。
フィルムコンデンサは、例えば、ポリプロピレン樹脂をフィルム化した誘電体フィルムと、当該誘電体フィルムの表面に蒸着によって形成された金属膜と、を有している。金属膜は電極として用いられる。このような構成により、フィルムコンデンサでは、誘電体フィルムの絶縁欠陥部で短絡が生じた場合にも、短絡のエネルギーで欠陥部周辺の金属膜が蒸発、飛散し、誘電体フィルムの絶縁欠陥部が絶縁化される。フィルムコンデンサは、このような自己回復性を有し、絶縁破壊し難い。
このように、フィルムコンデンサは電気回路が短絡した際の発火や感電を発生させ難い。そのため、近年、フィルムコンデンサの用途は、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）照明等の電源回路、ハイブリッド自動車のモータ駆動、太陽光発電のインバータシステム等に拡大しつつある。
フィルムコンデンサにおいて、上述のような自己回復性を有する容量発現部の金属膜の厚さに対し、外部電極と接続する部位の金属膜の厚さを厚くし、金属膜と外部電極との接続強度をあげる技術が、例えば特許文献１に開示されている。
本開示のフィルムコンデンサは、第１誘電体フィルム、および該第１誘電体フィルムの第１面上に配置された第１金属膜を有する第１金属化フィルムと、第２誘電体フィルム、および第２誘電体フィルムの第２面上に配置された第２金属膜を有する第２金属化フィルムと、を少なくとも備える本体部と、一対の外部電極と、を具備する。前記第１金属膜と前記第２金属膜との間には、前記第１誘電体フィルムまたは前記第２誘電体フィルムが配置されている。前記外部電極は、前記本体部の第１方向の一対の本体端部にそれぞれ配置され、前記第１金属膜および前記第２金属膜のいずれか一方に電気的に接続されている。前記外部電極と電気的に接続している前記第１金属膜および／または前記第２金属膜は、前記外部電極と電気的に接続する前記本体端部の近傍に、膜厚が２０ｎｍ以上の第１部位を有するとともに、該第１部位に、前記本体端部に接し、前記第１方向に延びる複数の第１の溝を有する。なお、「Ａおよび／またはＢ」と記載した時、これは「Ａのみ」、「Ｂのみ」、または「ＡおよびＢ」のうちいずれかを指す。
本開示の連結型コンデンサは、複数のフィルムコンデンサと、該複数のフィルムコンデンサを接続するバスバーと、を備え、前記フィルムコンデンサが、上記のフィルムコンデンサを含む。
本開示のインバータは、スイッチング素子を有するブリッジ回路と、該ブリッジ回路に接続された容量部とを備え、前記容量部が上記のフィルムコンデンサを含む。
本開示の電動車輌は、電源と、該電源に接続されたインバータと、該インバータに接続されたモータと、該モータにより駆動する車輪と、を備え、前記インバータが上記のインバータである。
フィルムコンデンサは、図１〜図３に示すように、フィルムコンデンサ本体部３（以下、単に本体部３という場合もある）と、一対の外部電極４ａ、４ｂとを具備している。本体部３は、第１誘電体フィルム１ａ、第２誘電体フィルム１ｂと、第１金属膜２ａ、第２金属膜２ｂとが積層または捲回されている。一対の外部電極４ａ、４ｂは、本体部３の対向する端部（本体端部）３ａ、３ｂにメタリコンにより設けられている。
図１に示す捲回型のフィルムコンデンサＡの本体部３は、第１誘電体フィルム１ａの第１面１ａｃに第１金属膜２ａを備えた第１金属化フィルム５ａと、第２誘電体フィルム１ｂの第２面１ｂｃに第２金属膜２ｂを備えた第２金属化フィルム５ｂとが重ねられ、捲回されている。第１金属膜２ａは本体部３の一方の本体端部３ａで外部電極４ａに電気的に接続されている。第２金属膜２ｂは、本体部３の他方の本体端部３ｂで外部電極４ｂに電気的に接続されている。以下、第１誘電体フィルム１ａ、第１金属膜２ａおよび第１金属化フィルム５ａの第１を省略し、単に誘電体フィルム１ａ、金属膜２ａおよび金属化フィルム５ａという場合がある。また、第２誘電体フィルム１ｂ、第２金属膜２ｂおよび第２金属化フィルム５ｂの第２を省略し、単に誘電体フィルム１ｂ、金属膜２ｂおよび金属化フィルム５ｂという場合がある。
図１では、理解を容易にするために、引き出した誘電体フィルム１ａ、１ｂおよび金属膜２ａ、２ｂの厚みを紙面の手前にくる程厚くなるように描いている。
図１では、誘電体フィルム１ａ、１ｂおよび金属膜２ａ、２ｂの幅方向を第１方向ｘ、長さ方向を第２方向ｙ、厚さ方向をｚ方向として示している。以下、第１方向ｘを単にｘ方向といい、第２方向ｙを単にｙ方向という場合がある。誘電体フィルム１ａ、１ｂおよび金属膜２ａ、２ｂはｚ方向に重ねあわされている。外部電極４ａ、４ｂは本体部３のｘ方向に位置する本体端部３ａ、３ｂにそれぞれ配置されている。フィルムコンデンサＡでは、ｘ方向は捲回の軸方向と一致する。
図２に示す積層型のフィルムコンデンサＢの本体部３は、誘電体フィルム１ａの第１面１ａｃに金属膜２ａを備えた金属化フィルム５ａと、誘電体フィルム１ｂの第２面１ｂｃに金属膜２ｂを備えた金属化フィルム５ｂとが交互に積層されている。金属膜２ａは本体部３の一方の本体端部３ａで外部電極４ａに電気的に接続されている。金属膜２ｂは、本体部３の他方の本体端部３ｂで外部電極４ｂに電気的に接続されている。
フィルムコンデンサＡおよびＢの誘電体フィルム１ａは、ｚ方向に対向する第１面１ａｃと第３面１ａｄ、およびｘ方向に対向する第１側面１ａｅと第２側面１ａｆを有している。誘電体フィルム１ｂは、ｚ方向に対向する第２面１ｂｃと第４面１ｂｄ、およびｘ方向に対向する第１側面１ｂｅと第２側面１ｂｆを有している。
金属化フィルム５ａとは、誘電体フィルム１ａの第１面１ａｃ上に金属膜２ａを形成したものであり、第１面１ａｃ上の第２側面１ａｆ近傍に、ｙ方向に連続して延びる絶縁マージン部６ａを有している。絶縁マージン部６ａは、誘電体フィルム１ａが露出した部分である。
金属化フィルム５ｂとは、誘電体フィルム１ｂの第２面１ｂｃ上に金属膜２ｂを形成したものであり、第２面１ｂｃ上の第２側面１ｂｆ近傍に、ｙ方向に連続して延びる絶縁マージン部６ｂを有している。絶縁マージン部６ｂは、誘電体フィルム１ｂが露出した部分である。
図１、２に示すように、金属化フィルム５ａ、５ｂは、少し幅方向（ｘ方向）にずれた状態で積層または捲回されている。
金属膜２ａと金属膜２ｂとの間に電位差があると、金属膜２ａと金属膜２ｂとが誘電体フィルム１ａまたは誘電体フィルム１ｂを挟んで重なり合う有効領域７に、静電容量が発生する。
フィルムコンデンサＡおよびＢの金属化フィルム５ａ、５ｂに共通する本実施形態の特徴について説明するため、以下では、図３に示すように、ａ、ｂの符号を省略する場合がある。また、図４等の断面図においては、説明を容易にするためにフィルムの厚さ方向であるｚ方向を拡大して示している。
金属膜２の膜厚は、例えば２０ｎｍ以下、特には５〜１５ｎｍの範囲とするのがよい。金属膜２をこのような膜厚とすることで、面積抵抗が１８〜５０Ω／□となり、自己回復性を発揮できる。面積抵抗をシート抵抗という場合もある。金属膜２の材料としては、たとえばアルミニウム（Ａｌ）、亜鉛（Ｚｎ）などの金属または合金などを用いてもよい。
金属膜２の膜厚は、たとえばイオンミリング加工をした金属化フィルム５の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）などで確認すればよい。
図３は金属化フィルム５の平面図であり、図４は図３のｉｖ−ｉｖ線断面図、図５は図３のｖ−ｖ線断面図、図６は図３のｖｉ−ｖｉ線断面図である。金属膜２は、図３、４に示すように、少なくとも外部電極４との接続部の近傍（２ｅ）に、いわゆるヘビーエッジ構造を有している。外部電極４との接続部の近傍とは、言い換えると誘電体フィルム１の第１側面１ｅの近傍である。以下、金属膜２の外部電極４との接続部の近傍２ｅを、ヘビーエッジ部２ｅまたは第１部位２ｅという場合もある。ヘビーエッジ構造とは、たとえば金属膜２ａ、２ｂ同士が重なり合う有効領域７に対して、外部電極４との接続部の近傍２ｅにおける金属膜２の厚さが厚く、電気抵抗が低い構造である。外部電極４との接続部の近傍２ｅにおける金属膜２の膜厚は、たとえば自己回復性を発揮できる膜厚の２倍以上、具体的には２０ｎｍ以上としてもよい。ヘビーエッジ部２ｅにおける金属膜２の膜厚は、８０ｎｍ以下の範囲としてもよい。金属膜２がヘビーエッジ部２ｅを有することにより、金属膜２と外部電極４との電気的接続が向上する。また、抵抗の低いヘビーエッジ部２ｅにより外部電極４と電気的に接続されることで、フィルムコンデンサＡおよびＢの等価直列抵抗（ＥＳＲ）を低減することができる。フィルムコンデンサＡおよびＢにおいて、金属化フィルム５ａのヘビーエッジ部２ｅは、金属化フィルム５ｂの絶縁マージン部６ｂと重なりあい、金属化フィルム５ｂのヘビーエッジ部２ｅは、金属化フィルム５ａの絶縁マージン部６ａと重なり合っていてもよい。ヘビーエッジ部２ｅの第１方向ｘの幅は、フィルムコンデンサＡおよびＢのサイズに応じて、たとえば４ｍｍ以下、特には０．５ｍｍ以上、３ｍｍ以下としてもよい。
ヘビーエッジ部２ｅでは、金属膜２の膜厚が厚いため、金属膜２の熱収縮率と誘電体フィルム１の熱収縮率との差の影響が大きい。そのため、金属化フィルム５のｘ方向の端部、すなわち本体端部３では、金属膜２と誘電体フィルム１との熱収縮差に起因して金属化フィルム５に反りが発生する場合がある。本体端部３で金属化フィルム５が反りを有すると、重なり合う金属化フィルム５の間隙にメタリコンが入りにくくなる。その結果、金属膜２と外部電極４との接触面積が小さくなって、金属膜２と外部電極４との電気的接続が十分に得られない場合があった。
本開示の実施形態の一つでは、図３〜６に示すように、金属膜２が、ヘビーエッジ部２ｅに、第１方向ｘに延びる第１の溝８を有している。第１の溝８は、本体端部３に開口する開口部８ｅを有し、開口部８ｅから第１方向ｘに、所定の長さＬを有している。第１の溝８の第１方向ｘの長さＬは、図３のようにヘビーエッジ部２ｅの第１方向ｘの幅と同じ、または短くてもよい。金属膜２は、第２方向ｙに所定の間隔で複数の第１の溝８を有していてもよい。
ヘビーエッジ部２ｅが第１の溝８を有することにより、ヘビーエッジ部２ｅにおける金属膜２と誘電体フィルム１との熱収縮差の影響が第１の溝８により緩和され、金属化フィルム５の端部の反りを発生し難くすることができる。その結果、金属膜２と外部電極４との電気的接続の信頼性が向上し、フィルムコンデンサの誘電損失が低減され、充放電サイクルによる誘電損失の増大を抑えることができる。
第１の溝８の第１方向ｘの長さＬは、ヘビーエッジ部２ｅすなわち第１部位２ｅの第１方向ｘの幅以下であってもよい。Ｌは、たとえば１．０ｍｍ以上、２．０ｍｍ以下としてもよい。Ｌが１．０ｍｍより大きいことで、誘電体フィルム１との熱収縮差の影響を緩和することができる。Ｌが２．０ｍｍより小さいことで、第１の溝８が有効領域７に達し難くなり、静電容量を確保することができる。すなわち、有効領域７に位置する金属膜２は、第１の溝８を有していなくてもよい。
換言すれば、フィルムコンデンサをｚ方向から平面視したとき、金属化フィルム５ａの第１の溝８ａは、金属化フィルム５ｂのマージン部６ｂと重なり、金属膜２ｂと重ならなくてもよい。金属化フィルム５ｂの第１の溝８ｂは、金属化フィルム５ａのマージン部６ａと重なり、金属膜２ａとは重ならなくてもよい。すなわち、金属化フィルム５ａの第１の溝８ａは、金属膜２ｂと重なる部位を有さず、金属化フィルム５ｂの第１の溝８は、金属膜２ａと重なる部位を有さなくてもよい。
第２方向ｙに隣り合う第１の溝８と第１の溝８との間隔Ｐ１は、たとえば４ｍｍ以下としてもよい。Ｐ１が４ｍｍよりも大きいと、金属膜２と誘電体フィルム１との熱収縮差の影響を緩和できない懸念がある。ヘビーエッジ部２ｅの膜厚が比較的大きい場合はＰ１を小さくし、ヘビーエッジ部２ｅの膜厚が比較的小さい場合は、Ｐ１を大きくしてもよい。Ｐ１は、たとえば１ｍｍ以上としてもよいが、それより小さくてもよい。
第１の溝８の第２方向ｙの幅を、図６に示すようにＷとする。第１の溝８の最大幅をＷ１とし、開口部８ｅの幅をＷ２としたとき、Ｗ１とＷ２は、図３に示すように同じであってもよい。また、Ｗ１がＷ２より大きい、すなわち、開口部８ｅの幅Ｗ２が狭く、第１の溝８の開口部８ｅ以外の部位で幅Ｗが最大となってもよい。たとえば、第１の溝８の形状は、図３に示すように矩形状であってもよいし、図７に示すように開口部８ｅを短い底部とし、開口部８ｅに対向する辺を長い底部とする台形状であってもよい。第１の溝８の形状は、図８に示すように第１方向ｘに延びる溝と第２方向ｙに延びる溝とが交差した十字状であってもよい。この場合、第２方向ｙに延びる溝の第２方向ｙの長さを最大幅Ｗ１とする。
また、第１の溝８の壁面である金属膜２は、本体端部３で第１の溝８を挟んで接触していてもよい。本体端部３において、第１の溝８の壁面である金属膜２は、接合していなければよい。この場合、第１の溝８の形状は、本体端部３に頂点を有する三角形状であってもよい。
隣り合う第１の溝８同士の間隔Ｐ１と開口部８ｅの幅Ｗ２との比を、Ｗ２／Ｐ１とする。Ｗ２／Ｐ１が小さいほど、金属膜２と外部電極４との接触面積が大きくなる。Ｗ２／Ｐ１は、たとえば０．３５以下としてもよい。
第１の溝８の開口部８の幅Ｗ２を、最大幅Ｗ１より小さくすることで、金属膜２と誘電体フィルム１との熱収縮差の影響を緩和して金属化フィルム５の端部の反りを発生し難くすることができると同時に、金属膜２と外部電極４との接触面積をより大きくすることができる。その結果、金属膜２と外部電極４との電気的接続をより向上することができる。Ｗ１は、たとえば０．１ｍｍ以上、１．０ｍｍ以下、特には０．３ｍｍ以上、０．５ｍｍ以下としてもよい。Ｗ２は、たとえば１．０ｍｍ以下、特には０．５ｍｍ以下としてもよい。
第１の溝８の底面は、誘電体フィルム１であってもよい。第１の溝８の底面は、金属膜２であってもよい。第１の溝８の底面が金属膜２である場合、第１の溝８の底面部の金属膜２の膜厚は、ヘビーエッジ部２ｅの膜厚よりも薄くなる。
金属膜２は、図９に示すように、第１の溝８以外に、有効領域７に１または複数の第２の溝９を有していてもよい。第２の溝９は、誘電体フィルム１の端面１ｃおよび／または絶縁マージン部６に接していてもよい。第２の溝９は、第１方向ｘに延び、誘電体フィルム１の端面１ｃと絶縁マージン部６とをつないでいてもよい。複数の第２の溝９が、それぞれ異なる方向に延びるとともに交差して、金属膜２を複数の小領域に分割していてもよい。金属膜２は、第２の溝９により分割された小領域同士をつなぐヒューズ部１０を有していてもよい。第１領域２ｅに複数の第２の溝９がある場合、隣り合う第２の溝９と第２の溝９との間に１以上の第１の溝８が配置されてもよい。第１領域２ｅにおいて、第１の溝８と第１の溝８との間隔Ｐ１は、第２の溝９と第２の溝９との間隔Ｐ２よりも小さい。また、たとえば有効領域７を第１方向ｘに２分した時、金属膜２の絶縁マージン６に隣接する方の領域が第２の溝９を有し、金属膜２のヘビーエッジ２ｅを有する方の領域は第２の溝９を有していなくてもよい。第２の溝９の幅は、たとえば０．０１〜０．２０ｍｍとしてもよい。
図１０、１１に示す積層型のフィルムコンデンサＣの本体部３では、第１誘電体フィルム１ａの第１面１ａｃに第１金属膜２ａを備えた第１金属化フィルム５ａと、第２誘電体フィルム１ｂの第２面１ｂｃに第２金属膜２ｂを備えた第２金属化フィルム５ｂとが交互に積層されている。図１１においても、第１誘電体フィルム１ａ、第２誘電体フィルム１ｂおよび第１金属膜２ａ、第２金属膜２ｂの幅方向を第１方向ｘ、長さ方向を第２方向ｙ、厚さ方向をｚ方向として示している。
フィルムコンデンサＣは、２つの容量部が直列接続されている。金属膜２ａは、図１１の左側に位置する金属膜２ａ１と、図１１の右側に位置する金属膜２ａ２とを有している。すなわち、金属膜２ａは、ｘ方向に並んだ２つの金属膜２ａ１と２ａ２とを有している。金属膜２ａ１は、本体部３の左側に位置する本体端部３ａで外部電極４ａに電気的に接続され、金属膜２ａ２は、本体部３の右側に位置する本体端部３ｂで外部電極４ｂに電気的に接続されている。
フィルムコンデンサＣの金属化フィルム５ａは、第１方向ｘの中央部に第２方向ｙに連続して延びる第１絶縁マージン部６ａを有している。第１絶縁マージン部６ａは、金属膜２が形成されず、第１面１ａｃが露出している。金属膜２ａ１と金属膜２ａ２とは、第１絶縁マージン部６ａにより電気的に絶縁されている。
フィルムコンデンサＣの金属化フィルム５ｂは、第１方向ｘの両端に第２方向ｙに連続して延びる第２絶縁マージン部６ｂを有している。第２絶縁マージン部６ｂには、金属膜２が形成されず、第２面１ｂｃが露出している。金属膜２ｂは、外部電極４ａ、４ｂのいずれにも電気的に接続されていない。
誘電体フィルム１ａ、１ｂおよび金属膜２ａ、２ｂは、図１１に示すようにｚ方向に重ねあわされ、積層されている。フィルムコンデンサＣでは、第１容量部Ｃ１と第２容量部Ｃ２とが直列接続されている。第１容量部Ｃ１は、金属膜２ａ１と金属膜２ｂとが誘電体フィルム１ａまたは１ｂを挟んでいる有効領域７ａに形成され、第２容量部Ｃ２は、金属膜２ａ２と金属膜２ｂとが誘電体フィルム１ａまたは１ｂを挟んでいる有効領域７ｂに形成される。
なお、有効領域７（７ａ、７ｂ）では、重なり合う金属膜２ａ（２ａ１、２ａ２）および２ｂのいずれか一方が自己回復性を発揮できる膜厚であればよい。たとえば、フィルムコンデンサＣの金属膜２ａ全体を第１部位２ｅと同じ膜厚とし、金属膜２ｂ全体の厚さを２０ｎｍ以下としてもよい。この場合、フィルムコンデンサＣは、金属膜２ｂにより自己回復性を発揮できる。フィルムコンデンサＣの場合、図１１に示すように、金属膜２ａが第１の溝８のみを有し、金属膜２ｂが第２の溝９を有していてもよい。
このような直列型の構造は、図１０、１１に示す積層型フィルムコンデンサＣに適用されるだけではなく、捲回型のフィルムコンデンサに適用してもよい。
フィルムコンデンサＣのような直列型の構造では、フィルムコンデンサの内部で第１容量部Ｃ１と第２容量部Ｃ２とが直列接続されており、第１容量部Ｃ１に印加される電圧および第２容量部Ｃ２に印加される電圧が、各容量部の静電容量に応じて分配される。その結果、フィルムコンデンサＣ全体の耐電圧を向上させることができる。以下、フィルムコンデンサＡ、Ｂを通常型のフィルムコンデンサ、フィルムコンデンサＣを直列接続型のフィルムコンデンサという場合もある。
誘電体フィルム１に用いる絶縁性の樹脂の材料としては、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（ＣＯＰ）などが挙げられる。特にポリアリレート（ＰＡＲ）は、高い絶縁破壊電圧を有する。
このようなフィルムコンデンサＡ、ＢおよびＣは、例えば以下のようにして作製すればよい。まず、誘電体フィルム１を準備する。誘電体フィルム１は、例えば絶縁性の樹脂を溶媒に溶解した樹脂溶液を、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）製の基材フィルムの表面にシート状に成形し、乾燥して溶剤を揮発させることにより得られる。成形方法としては、ドクターブレード法、ダイコータ法およびナイフコータ法等、周知の成膜方法から適宜選択すればよい。成形に使用する溶剤としては、例えば、メタノール、イソプロパノール、ｎ−ブタノール、エチレングリコール、エチレングリコールモノプロピルエーテル、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、キシレン、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、ジメチルアセトアミド、シクロヘキサン、又は、これらから選択された２種以上の混合物を含んだ有機溶剤を用いるのがよい。また、溶融押し出し法で作製した樹脂のフィルムを延伸加工してもよい。
誘電体フィルム１の厚さは、例えば５μｍ以下としてもよい。特に０．５〜４μｍの厚さの誘電体フィルム１を用いるのがよい。
誘電体フィルム１は、上述の絶縁性の樹脂のみにより構成されていてもよい。誘電体フィルム１は、上述の絶縁性樹脂以外の材料を含んでいてもよい。誘電体フィルム１に含まれる樹脂以外の構成要素としては、例えば上述の有機溶剤および無機フィラーが挙げられる。無機フィラーには、例えば、アルミナ、酸化チタン、二酸化珪素などの無機酸化物、窒化珪素など無機窒化物、ガラスなどを用いてもよい。特に、ペロブスカイト型構造を有する複合酸化物など比誘電率の高い材料を無機フィラーとして用いた場合には、誘電体フィルム１全体の比誘電率が向上し、フィルムコンデンサを小型化することができる。また、無機フィラーと樹脂との相溶性を高める上で、無機フィラーにシランカップリング処理、チタネートカップリング処理等の表面処理を行ってもよい。
誘電体フィルム１にこのような無機フィラーを用いる場合、無機フィラーを５０質量％未満、樹脂を５０質量％以上含有する複合フィルムとすることで、樹脂の可撓性を維持したまま、無機フィラーによる比誘電率向上などの効果を得ることができる。また、無機フィラーのサイズ、たとえば平均粒径は、４〜１０００ｎｍとしてもよい。
作製した誘電体フィルム１の一方の面の、所定の部位にマスクをする。誘電体フィルム１の一方の面のマスクをしていない部分に、アルミニウム（Ａｌ）などの金属成分を蒸着して金属膜２を形成することで、絶縁マージン部６を有する金属化フィルム５が得られる。
マスクをする所定の部位とは、フィルムコンデンサＡおよびＢの場合、幅方向（第１方向ｘ）の端部の一方である。フィルムコンデンサＣの場合、所定の部位とは、第１誘電体フィルム１ａの幅方向（第１方向ｘ）の中央部であり、第２誘電体フィルム１ｂの幅方向（第１方向ｘ）の両方の端部である。
ヘビーエッジ構造は、上述の金属化フィルム５のヘビーエッジを形成する部分以外をマスクし、上述の蒸着した金属成分のマスクの無い部分の上にさらに、たとえば亜鉛（Ｚｎ）を蒸着して形成する。ヘビーエッジ部２ｅを形成するために蒸着する蒸着膜の膜厚は、上述の蒸着した金属成分の膜厚の１〜３倍としてもよい。これにより、ヘビーエッジ部２ｅの膜厚は、他の部位の膜厚の２〜４倍となり、第１部位２ｅとなる。
次に、金属膜２の第１部位２ｅに第１の溝８を形成する。第１の溝８の形成には、レーザーパターニング法を用いてもよい。レーザーパターニング法は、レーザーにより金属膜４の一部を蒸発させる方法であり、レーザーマーカー機またはレーザートリマー機を用いる。レーザーとしては、グリーンレーザー、ＹＡＧレーザーおよびＣＯ2レーザーのうちいずれかを用いればよい。
一方の面に金属膜２（２ａ、２ｂ）を有する金属化フィルム５（５ａ、５ｂ）は、２枚を一組として、図１または２に示すように、少し幅方向すなわち第１方向ｘにずれた状態で重ねて一組以上積層する、または捲回することで、フィルムコンデンサＡまたはＢの本体部３を得る。フィルムコンデンサＣの本体部３は、金属化フィルム５ａおよび５ｂを一組として、図１１に示すように重ねて一組以上積層する、または巻回することで得られる。
得られた本体部３のｘ方向の両端面に外部電極４としてメタリコン電極を形成することで、フィルムコンデンサＡ、Ｂ、またはＣが得られる。外部電極４の形成には、例えば、金属の溶射、スパッタ法、メッキ法などの方法を用いればよい。
外部電極４を形成した本体部３の外表面を、図示しない外装部材で覆ってもよい。
金属膜２の材料としては、例えばアルミニウム（Ａｌ）、亜鉛（Ｚｎ）などの金属または合金などが挙げられる。
また、メタリコン電極の材料としては、亜鉛、錫、アルミニウム、銅およびハンダから選ばれる少なくとも１種の金属材料を用いてもよい。
図１２は、連結型コンデンサの実施形態の一つを模式的に示した斜視図である。図１２では連結型コンデンサの構成を分かりやすくするために、ケースおよびコンデンサ表面を覆う外装樹脂の記載を省略している。連結型コンデンサＤでは、複数個の捲回型のフィルムコンデンサＡが一対のバスバー２１、２３により並列接続されている。バスバー２１、２３は、外部接続用の端子部２１ａ、２３ａと、引出端子部２１ｂ、２３ｂと、を有している。引出端子部２１ｂ、２３ｂは、それぞれフィルムコンデンサＡの外部電極４ａ、４ｂにそれぞれ接続される。
連結型コンデンサＤが、上記のフィルムコンデンサＡを含むと、誘電損失が小さく、充放電サイクルよる誘電損失の増大が少ない連結型コンデンサＤを得ることができる。なお、連結型コンデンサＤには、捲回型のフィルムコンデンサＡにかえて、積層型のフィルムコンデンサＢまたは直列接続型のフィルムコンデンサＣを含んでもよい。
連結型コンデンサＤは、フィルムコンデンサＡを少なくとも１つ有していてもよいし、２つ以上のフィルムコンデンサＡを有していてもよい。連結型コンデンサＤは、フィルムコンデンサＡを複数個、たとえば図１２に示すように４個並べた状態で、本体部３の両端にそれぞれ形成された外部電極４ａ、４ｂに、接合材を介してバスバー２１、２３を取り付けることによって得られる。
連結型コンデンサＤは、図１２に示したようにフィルムコンデンサが平面的に配置されていてもよいし、フィルムコンデンサが積み上げられた配置としてもよい。また、フィルムコンデンサＡの配置は、外部電極４の位置する方向、すなわちｘ方向が鉛直方向に沿った配置としてもよい。
なお、フィルムコンデンサＡ、Ｂ、Ｃおよび連結型コンデンサＤは、ケースに収納したのちケース内の空隙に樹脂を充填し、樹脂モールド型（ケースモールド型）のコンデンサとすることもできる。
図１３は、インバータの実施形態一つを説明するための概略構成図である。図１３には、実施形態の一例として、直流から交流を作り出すインバータＥを示している。インバータＥは、図１３に示すように、ブリッジ回路３１と、容量部３３とを備えている。ブリッジ回路３１は、例えばＩＧＢＴ（Insulated gate Bipolar Transistor）のようなスイッチング素子と、ダイオードにより構成される。容量部３３は、ブリッジ回路３１の入力端子間に配置され、電圧を安定化する。インバータＥには、容量部３３として上記のフィルムコンデンサＡ、Ｂ、Ｃまたは連結型コンデンサＤが用いられる。
このインバータＥは、直流電源の電圧を昇圧する昇圧回路３５に接続される。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。
図１４は、電動車輌の概略構成図である。図１４には、実施形態の一例として、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）を示している。
電動車輌Ｆは、駆動用のモータ４１、エンジン４３、トランスミッション４５、インバータ４７、電源（電池）４９、前輪５１ａおよび後輪５１ｂを備えている。
電動車輌Ｆは、駆動源としてモータ４１、エンジン４３、またはその両方の出力を備えている。駆動源の出力は、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に接続され、インバータ４７はモータ４１に接続されている。
また、図１４に示した電動車輌Ｆは、車輌ＥＣＵ５３、およびエンジンＥＣＵ５７を備えている。車輌ＥＣＵ５３は、電動車輌Ｅ全体の統括的な制御を行う。エンジンＥＣＵ５７は、エンジン４３の回転数を制御し電動車輌Ｅを駆動する。電動車輌Ｅは、さらに運転者等に操作されるイグニッションキー５５、図示しないアクセルペダル、およびブレーキ等の運転装置を備えている。車輌ＥＣＵ５３には、運転者等による運転装置の操作に応じた駆動信号が入力される。車輌ＥＣＵ５３は、その駆動信号に基づいて、指示信号をエンジンＥＣＵ５７、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Ｅを駆動する。
電動車輌Ｆのインバータ４７として、インバータＥ、すなわち容量部３３に上記のフィルムコンデンサＡ、Ｂ、Ｃまたは連結型コンデンサＤを含むインバータＥを用いる。このような電動車輌Ｆでは、フィルムコンデンサＡ、Ｂ、Ｃまたは連結型コンデンサＤが、誘電損失が小さく、充放電サイクルよる誘電損失の増大が少ないものであるため、静電容量が長期間に渡り維持でき、インバータ４７等で発生するスイッチング・ノイズを長期間低減することができる。
なお、本実施形態のインバータＥは、上記のハイブリッド自動車（ＨＥＶ）のみならず、電気自動車（ＥＶ）、燃料電池車、あるいは電動自転車、発電機、太陽電池など種々の電力変換応用製品に適用できる。
ポリアリレート（Ｕ−１００、ユニチカ製）を用いて平均厚さ２．５μｍの誘電体フィルムを作製した。誘電体フィルムは、ポリアリレートをトルエンに溶解し、コータを用いてポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）製の基材上に塗布し、シート状に成形した。成形後、１３０℃で熱処理してトルエンを除去し、誘電体フィルムを得た。得られた誘電体フィルムを基材から剥離し、１３０ｍｍ幅にスリット加工した。
直列接続型のフィルムコンデンサを以下のように作製した。誘電体フィルムの一方の主面に、Ａｌ（アルミニウム）金属膜を形成し、膜厚の異なる２種類の金属膜を有する金属化フィルムを得た。以下、膜厚が厚い金属膜を第１金属膜とし、膜厚が薄い金属膜を第２金属膜という。
金属膜の膜厚は、イオンミリング加工をした断面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）観察により求めた。第１金属膜の膜厚ｔ１および第２金属膜の膜厚ｔ２を表１に示す。シート抵抗は、マルチメータを用いて４端子抵抗測定モードにより評価した。たとえば、膜厚５０ｎｍの金属膜のシート抵抗は７Ω／□、膜厚３０ｎｍの金属膜のシート抵抗は２５Ω／□であった。
グリーン・レーザーマーカーを用いて、第１金属膜の第１方向ｘの中央部に２ｍｍ幅の第１絶縁マージン部を形成し、第２金属膜の第１方向ｘの両端に第２絶縁マージン部を形成した。第１の溝は、膜厚が厚い第１金属膜の第１方向ｘの両端すなわち第１部位に形成した。第１の溝の形状を表１に示す。第２金属膜には、グリーン・レーザーマーカーを用いて全面に第２の溝を網目状に形成した。第２金属膜には、第２の溝により、２ｍｍ×２ｍｍの小領域と、小領域間をつなぐ幅０．２ｍｍのヒューズ部により構成されるパターンを形成した。レーザー照射条件は、出力４Ｗ、周波数１４０ｋＨｚ、スキャン速度４ｍ／秒とした。
１３０ｍｍ幅の金属化フィルムをさらにスリット加工し、第１金属膜を有する第１金属化フィルムは、第１方向ｘの中央部に幅２ｍｍの第１絶縁マージン部を有する、全幅２８ｍｍの金属化フィルムとした。第２金属膜を有する第２金属化フィルムは、第１方向ｘの両端に幅１．５ｍｍの第２絶縁マージン部を有する、全幅２７ｍｍの金属化フィルムとした。
第１金属化フィルムと第２金属化フィルムとを重ね合わせて、直径２００ｍｍのドラムに１００回巻回し、複数のフィルムコンデンサが環状につながった捲回体を得た。第１金属化フィルムと第２金属化フィルムとは、第１金属膜と第２金属膜との間に１枚の誘電体フィルムを挟むように重ね合わせた。
通常型のフィルムコンデンサは、以下のように作製した。１３０ｍｍ幅にスリット加工した誘電体フィルムの一方の面に、オイルマスクをし、第１方向ｘである幅方向の中央に幅５２ｍｍのＡｌ（アルミニウム）金属膜を形成した。Ａｌ金属膜の平均厚さは、１５ｎｍとした。次いで、形成したＡｌ金属膜の幅方向の中央にヘビーエッジ部として、メタルマスクを用いて幅２〜８ｍｍのＺｎ（亜鉛）金属膜を形成した。Ｚｎ金属膜の平均厚さは、５〜６５ｎｍとした。
得られた金属化フィルムの幅方向の中央および両端をスリット加工して、幅２８ｍｍの第１金属化フィルムおよび第２金属化フィルムを得た。得られた各金属化フィルムの絶縁マージン部の幅は１ｍｍとし、ヘビーエッジ部の幅は１〜４ｍｍとした。
グリーン・レーザーマーカーを用いて、第１金属膜および第２金属膜のヘビーエッジ部すなわち第１部位に第１の溝を形成した。第１の溝の形状を表２に示す。また、第１金属膜および第２金属膜の第１方向の中央より絶縁マージン部に近い領域には、グリーン・レーザーマーカーを用いて第２の溝を網目状に形成し、２ｍｍ×２ｍｍの小領域と、小領域間をつなぐ幅０．２ｍｍのヒューズ部により構成されるパターンを形成した。レーザー照射条件は、出力４Ｗ、周波数１４０ｋＨｚ、スキャン速度４ｍ／秒とした。
第１金属化フィルムと第２金属化フィルムとを、それぞれのヘビーエッジ部が第１方向ｘの反対側に位置するとともに、それぞれのヘビーエッジ部が第１方向ｘに０．５ｍｍ突出するように、重ね合わせた。このように重ね合わせた１組の金属化フィルムを直径２００ｍｍのドラムに１００回巻回し、複数のフィルムコンデンサが環状につながった捲回体を得た。第１金属化フィルムと第２金属化フィルムとは、第１金属膜と第２金属膜との間に１枚の誘電体フィルムを挟むように重ね合わせた。
得られた捲回体を、第２方向ｙの幅が１５ｍｍとなるように切断し、本体部である積層体を得た。
本体部の第１方向ｘの端面に、亜鉛と錫との合金を溶射し、外部電極であるメタリコン電極を形成してフィルムコンデンサとした。
作製したフィルムコンデンサの誘電損失（dissipation factor：ＤＦ）を、デジタルマルチメータを用いてＡＣ１Ｖ、１ｋＨｚの条件で測定した。この誘電損失の値を、充放電試験前の誘電損失ＤＦ１とした。
フィルムコンデンサの充放電試験を、以下のように行った。直流電圧（ＤＣ）６００Ｖでフィルムコンデンサを充電した後、強制短絡して放電を行った。１回の充電−放電を１サイクルとした充放電サイクルを、１００サイクルの充放電試験を行った。充放電試験後に再度誘電損失ＤＦを測定し、得られた値を充放電試験後の誘電損失ＤＦ２とした。ＤＦ１、ＤＦ２およびＤＦ２／ＤＦ１の値を表１に記載した。なお、ＤＦ２／ＤＦ１は、ＤＦ１に対するＤＦ２の比である。
膜厚が厚い第１金属膜の第１方向の端部、すなわち第１部位に第１の溝を有する試料Ｎｏ．２、３、５〜１７、１９、２０、およびヘビーエッジ部、すなわち第１部位に第１の溝を有する試料Ｎｏ．２２、２３、２５、２６、２８〜３６、３８、４０および４１は、第１の溝を有さない試料Ｎｏ．１、４、１８、２１、２４、２７、３７、３９と比べて充放電試験後の誘電損失の増大が小さかった。特に、第１の溝の最大幅Ｗ１が開口部の幅Ｗ２よりも大きい試料Ｎｏ．３、１４〜１６、２０、２３、２６、３３〜３５および４１は、いずれも充放電試験後に誘電損失の増大が見られなかった。
Ａ、Ｂ、Ｃ ：フィルムコンデンサ
Ｄ ：連結型コンデンサ
Ｅ ：インバータ
Ｆ ：電動車輌
１、１ａ、１ｂ：誘電体フィルム
２、２ａ、２ｂ：金属膜
２ｅ ：第１部位（ヘビーエッジ部）
３ ：本体部
４、４ａ、４ｂ：外部電極
５、５ａ、５ｂ：金属化フィルム
７ ：有効領域
８ ：第１の溝
９ ：第２の溝
１０ ：ヒューズ部
２１、２３ ：バスバー
３１ ：ブリッジ回路
３３ ：容量部
３５ ：昇圧回路
４１ ：モータ
４３ ：エンジン
４５ ：トランスミッション
４７ ：インバータ
４９ ：電源
５１ａ ：前輪
５１ｂ ：後輪
５３ ：車輌ＥＣＵ
５５ ：イグニッションキー
５７ ：エンジンＥＣＵ
Ｄ ：連結型コンデンサ
Ｅ ：インバータ
Ｆ ：電動車輌
１、１ａ、１ｂ：誘電体フィルム
２、２ａ、２ｂ：金属膜
２ｅ ：第１部位（ヘビーエッジ部）
３ ：本体部
４、４ａ、４ｂ：外部電極
５、５ａ、５ｂ：金属化フィルム
７ ：有効領域
８ ：第１の溝
９ ：第２の溝
１０ ：ヒューズ部
２１、２３ ：バスバー
３１ ：ブリッジ回路
３３ ：容量部
３５ ：昇圧回路
４１ ：モータ
４３ ：エンジン
４５ ：トランスミッション
４７ ：インバータ
４９ ：電源
５１ａ ：前輪
５１ｂ ：後輪
５３ ：車輌ＥＣＵ
５５ ：イグニッションキー
５７ ：エンジンＥＣＵ
Claims (13)
- 第１誘電体フィルム、および該第１誘電体フィルムの第１面上に配置された第１金属膜を有する第１金属化フィルムと、第２誘電体フィルム、および第２誘電体フィルムの第２面上に配置された第２金属膜を有する第２金属化フィルムと、を少なくとも備える本体部と、一対の外部電極と、を具備し、
前記第１金属膜と前記第２金属膜との間には、前記第１誘電体フィルムまたは前記第２誘電体フィルムが配置され、
前記外部電極は、前記本体部の第１方向の一対の本体端部にそれぞれ配置され、前記第１金属膜および前記第２金属膜のいずれか一方に電気的に接続され、
前記第１金属膜および／または前記第２金属膜は、前記外部電極と電気的に接続する前記本体端部の近傍に、膜厚が２０ｎｍ以上の第１部位を有するとともに、該第１部位に、前記本体端部に接し、前記第１方向に延びる第１の溝を有し、
前記第１方向に直交する第２方向における前記第１の溝の幅をＷとし、Ｗの最大値をＷ１とし、前記第１の溝の前記本体端部に接する部位の幅をＷ２としたとき、
Ｗ１がＷ２よりも大きい、フィルムコンデンサ。 - Ｗ２が０ｍｍである、請求項１に記載のフィルムコンデンサ。
- 前記第１金属膜が前記第１の溝を有し、
前記第１金属化フィルムおよび前記第２金属化フィルムを厚さ方向に平面視した時、
前記第１金属膜の前記第１の溝と、前記第２金属膜とが重なる部位を有さない、請求項１または２に記載のフィルムコンデンサ。 - 前記第１の溝の前記第１方向の長さが、前記第１部位の前記第１方向の幅以下である、請求項１〜３のいずれかに記載のフィルムコンデンサ。
- 前記第１の溝は、前記第１金属化フィルムおよび／または前記第２金属化フィルムの厚さ方向に位置する底面を有するとともに、該底面に、前記第１金属膜または前記第２金属膜を有する、請求項１〜４のいずれかに記載のフィルムコンデンサ。
- 前記第１の溝は、前記第１金属化フィルムおよび／または前記第２金属化フィルムの厚さ方向に位置する底面を有するとともに、該底面に、前記第１誘電体フィルムまたは前記第２誘電体フィルムを有する、請求項１〜５のいずれかに記載のフィルムコンデンサ。
- 前記第２金属膜が前記第１の溝を有し、
前記第１金属化フィルムおよび前記第２金属化フィルムを厚さ方向に平面視した時、
前記第２金属膜の前記第１の溝と、前記第１金属膜とが重なる部位を有さない、請求項１〜６のいずれかに記載のフィルムコンデンサ。 - 前記第１金属化フィルムは、前記第１面上の前記第１方向の中央部に第１絶縁マージン部を有し、
前記第２金属化フィルムは、前記第２面上の前記第１方向の両端部に第２絶縁マージン部を有し、
前記第１絶縁マージン部および第２絶縁マージン部は、前記第１金属膜および前記第２金属膜を有さない部分であり、前記第１方向に直交する第２方向に連続して延びており、
前記第１金属膜が、前記第１絶縁マージン部の前記第１方向の両側に存在するとともに、前記本体端部でそれぞれ前記外部電極に電気的に接続され、
前記第２金属膜が、前記外部電極のいずれにも電気的に接続されない、請求項１〜６のいずれかに記載のフィルムコンデンサ。 - 前記第１金属膜の厚さをｔ１とし、前記第２金属膜の厚さをｔ２とした時、前記ｔ１が前記ｔ２より大きい、請求項８に記載のフィルムコンデンサ。
- 前記ｔ２に対する前記ｔ１の比率（ｔ１／ｔ２）が、２以上４以下である、請求項９に記載のフィルムコンデンサ。
- 複数のフィルムコンデンサと、該複数のフィルムコンデンサを電気的に接続するバスバーと、を備え、前記フィルムコンデンサが、請求項１〜１０のいずれかに記載のフィルムコンデンサを含む、連結型コンデンサ。
- スイッチング素子を有するブリッジ回路と、該ブリッジ回路に接続された容量部とを備 え、前記容量部が請求項１〜１０のいずれかに記載のフィルムコンデンサを含む、インバータ。
- 電源と、該電源に接続されたインバータと、該インバータに接続されたモータと、該モータにより駆動する車輪と、を備え、前記インバータが、請求項１２に記載のインバータである、電動車輌。
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-
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