(57)【要約】【課題】  小型軽量かつ耐電圧の高いインバータ電源機器を実現する。【解決手段】  自動車駆動用モータを駆動するインバータ電源回路の電源平滑用コンデンサとして、金属化フィルムを巻回または積層し、電極部を有するコンデンサ素子と、前記電極部に接続したブスバーの一部とを開口部を有するケース内に配し、前記ケース内に樹脂充填してなる金属化フィルムコンデンサにおいて、前記金属化フィルムには厚み：１〜４μｍのポリプロピレンフィルムであることを特徴としている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体フィルムに金属蒸着した金属化フィルムを巻回または積層し、電極部としてフィルム幅方向の両側端部にメタリコンを形成してなる１つまたは複数個のコンデンサ素子をケース内に配し、前記ケース内に樹脂充填してなる金属化フィルムコンデンサであって、前記誘電体フィルムは、厚みが１〜４μｍのポリプロピレンフィルムである金属化フィルムコンデンサ。
【請求項２】
誘電体フィルムは、少なくとも片側の表面粗さが最大表面粗さが０．８〜２．０μｍであり、かつ平均表面粗さが０．０５μｍ以上のポリプロピレンフィルムである請求項１に記載の金属化フィルムコンデンサ。
【請求項３】
誘電体フィルムは、１２０℃１５分におけるフィルム長手方向の熱収縮率が４％以下であり、かつフィルム幅方向の熱収縮率が１％以下のポリプロピレンフィルムである請求項１または２に記載の金属化フィルムコンデンサ。
【請求項４】
金属化フィルムに設けた蒸着電極は、メタリコンと接続する付近の厚みを他の部分よりも厚くし、低抵抗部とした請求項１記載の金属化フィルムコンデンサ。
【請求項５】
誘電体フィルムに金属蒸着した金属化フィルムを巻回または積層し、電極部としてフィルム幅方向の両側端部にメタリコンを形成してなる１つまたは複数個のコンデンサ素子をケース内に配し、前記ケース内に樹脂充填してなる金属化フィルムコンデンサであって、前記誘電体フィルムは、厚みが１〜４μｍのポリプロピレンフィルムである金属化フィルムコンデンサを、電源平滑用コンデンサとして用いた自動車駆動用モータを駆動するインバータ電源回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はインバータ電源により電気自動車等に用いるモータを駆動するインバータ電源機器に関するものである。さらに詳しくはインバータ電源回路部に平滑用として用いる平滑コンデンサを用いたインバータ電源機器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電源回路部に用いられるインバータ電源用平滑コンデンサは、アルミ電解コンデンサが主に使用されてきた。しかしながら、アルミ電解コンデンサでは、特に自動車用に代表される−４０℃〜＋８５℃の環境下において、−４０℃付近で約−２０〜３０％程度、容量低下するため、インバータ電圧の変動が大きく、安定した出力が得られないといった課題があった。また、インバータ電源回路の効率化の向上のため、回路電圧の高電圧化が進んでいるため、従来のアルミ電解コンデンサでは、複数個のコンデンサを直列、並列接続することで、コンデンサ印加電圧を分圧する必要があった。
【０００３】
これに対し、耐リップル性が高く、低損失で、優れた耐電圧特性を持つ金属化フィルムコンデンサが、インバータ電源平滑用コンデンサの代替えとして、注目を集めているが、インバータ回路に平滑用として用いられるフィルムコンデンサは、高電圧、高リップル電流、大容量小型化などを要求され、同一体積でのコンデンサ容量の増加、および軽量化、低インダクタンス、耐高温性等さまざまな厳しい要求がなされている。
【０００４】
フィルムコンデンサを用いたインバータ電源機器の例としては、耐リップル性が高く、低損失で、低エネルギー効果の高い、小型軽量のフィルムコンデンサを用いたインバータエアコンが提唱されている。
【特許文献１】特公平７−７５４６４号公報（第１図、第２図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記したようなインバータエアコン等に用いるインバータ電源は、温度仕様が−２５℃〜＋７０℃の範囲内かつて定格電圧が低いものが一般的であった。これに対し、近年需要が高まりつつある、ハイブリッドカーなど、自動車駆動用に代表されるインバータ電源は、使用される温度範囲が−４０℃〜＋８５℃であり、コンデンサの耐電圧、およびインバータ電源の十分な信頼性を確保できるものではなかった。
【０００６】
また、インバータ電源の使用環境条件が厳しくなる一方で、フィルムコンデンサは、単位体積辺りの容量がアルミ電解コンデンサに比べ少ないため、誘電体フィルムを薄手化しつつ、耐電圧、安全性を確保する必要があった。
【０００７】
このような課題に対し、本発明は、広範囲な仕様温度範囲において、高耐電圧、高信頼性を確保すると共に、小型軽量なインバータ電源を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の金属化フィルムコンデンサは、上記課題を解決するために、誘電体フィルムに金属蒸着した金属化フィルムを巻回または積層し、電極部としてフィルム幅方向の両側端部にメタリコンを形成してなる１つまたは複数個のコンデンサ素子をケース内に配し、ケース内に樹脂充填してなる金属化フィルムコンデンサであり、誘電体フィルムとして、厚みが１〜４μｍのポリプロピレンフィルムを用いたものである。
【０００９】
さらに、本発明の金属化フィルムコンデンサは、誘電体フィルムとして、少なくとも片側の表面粗さが最大表面粗さが０．８〜２．０μｍであり、かつ平均表面粗さが０．０５μｍ以上のポリプロピレンフィルムを用いたものである。
【００１０】
また、本発明の金属化フィルムコンデンサは、誘電体フィルムとして、１２０℃１５分におけるフィルム長手方向の熱収縮率が４％以下であり、かつフィルム幅方向の熱収縮率が１％以下のポリプロピレンフィルムを用いたものである。
【００１１】
また、本発明の金属化フィルムコンデンサは、金属化フィルムにおいて、メタリコンと接続する付近に設けた蒸着電極を、厚みを他の部分よりも厚くし、低抵抗部としたものである。
【００１２】
また、本発明のインバータ電源回路は、誘電体フィルムに金属蒸着した金属化フィルムを巻回または積層し、電極部としてフィルム幅方向の両側端部にメタリコンを形成してなる１つまたは複数個のコンデンサ素子をケース内に配し、ケース内に樹脂充填してなり、誘電体フィルムとして、厚みが１〜４μｍのポリプロピレンフィルムを用いた金属化フィルムコンデンサを、電源平滑用コンデンサとして用い、自動車駆動用モータを駆動するものである。
【発明の効果】
【００１３】
以上のように、本発明によれば、金属化フィルムに、厚みが１〜４μｍのポリプロピレンフィルムを用いた金属化フィルムコンデンサとすることで、高温において優れた耐電圧特性を有し、かつ小型軽量な金属化フィルムコンデンサを得ることが出来る。
【００１４】
また本発明によれば、メタリコンと接続する部分の蒸着電極厚みを厚くして低抵抗部とすることで、メタリコンと蒸着電極との接触抵抗を低減させ、ｔａｎδ特性が良化した金属化フィルムコンデンサを得ることが出来る。
【００１５】
また本発明によれば、金属化フィルムに用いるポリプロピレンフィルムは、少なくとも片側の表面粗さが最大表面粗さが０．８〜２．０μｍであり、かつ平均表面粗さが０．０５μｍ以上であることにより、スリット工程、巻取り工程におけるフィルム蛇行による工程ロスを低減し、かつ良好な自己回復性を持った金属化フィルムコンデンサを得ることが出来る。
【００１６】
また本発明によれば、金属化フィルムに用いるポリプロピレンフィルムは、１２０℃１５分におけるフィルム長手方向の熱収縮率が４％以下、フィルム巾方向の熱収縮率が１％以下であることを特徴とすることで、車載用途に代表される１００℃以上の高温下においても、安定した特性を持つ金属化フィルムコンデンサを得ることが出来る。
【００１７】
また本発明によれば、上記したような金属化フィルムコンデンサを、電源平滑用コンデンサとして用いた自動車駆動用モータを駆動するインバータ電源回路とすることで、アルミ電解コンデンサの用いた場合と比べ、インバータ回路の小型軽量化を図ることが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図１から図３を用いて説明する。
【００１９】
（実施の形態１）
図１は本実施の形態におけるコンデンサ内部構造を示す断面図であり（ａ）は側面図、（ｂ）が正面図を示す。また図２は、図１で示すコンデンサを構成するコンデンサ素子の断面図、図３は図２のコンデンサ素子に用いる金属化フィルムの原反の斜視図を示す。
【００２０】
まず図２および図３において、１はポリプロピレンフィルム（以下ＰＰフィルムとよぶ）を用いた誘電体フィルム、２は誘電体フィルム１に蒸着する蒸着電極、３は誘電体フィルム１に蒸着電極２を蒸着した金属化フィルム、４は金属化フィルム３を巻回または積層した後、両側電極部として設けたメタリコンを示す。また、蒸着電極２のうち、８はメタリコン４との電極引出し部となる低抵抗部、９はコンデンサ容量を形成する高抵抗部を示す。１０、１１、１２は、それぞれ、蒸着電極２による蒸着パターンで形成されるヒューズ部、分割マージン部、マージン部を示す。
【００２１】
次に、本実施の形態におけるコンデンサ素子の作成方法について説明する。まず、誘電体フィルム１に蒸着電極２を蒸着し、図３に示すような金属化フィルムの原反を作成する。この原反は、蒸着電極のパターンが異なる２枚の金属化フィルムを重ねて原反にしたものである。そして図３で示すように、両方の金属化フィルムには、互いに反対側の片側端部に、マージン部１２が設けられている。さらに、一方の金属化フィルムには、分割マージン部１１によって長手方向に分割された分割電極が設けられ、マージン部１２と反対側端部にはヒューズ部１０が設けられている。
【００２２】
このように、一方の蒸着フィルムにヒューズ部１０、分割マージン部１１、マージン部１２を形成することで、一方の蒸着電極が複数の微小ブロックから成る分割電極、いわゆる保安機構を形成したことにより、自己回復時の短絡電流により絶縁欠陥部周囲のヒューズを溶断して絶縁欠陥部を電気回路から切り離す自己保安機能を形成するものである。
【００２３】
なお、本実施の形態においては、この際に用いる誘電体フィルムとして、特に、ＰＰフィルムを用いており、その厚みが１〜４μｍであり、少なくとも片側の表面粗さは、最大表面粗さが０．８〜２．０μｍ、平均表面粗さが０．０５μｍ以上のものを用いている。さらに、このポリプロピレンフィルムは、１２０℃１５分におけるフィルム長手方向の熱収縮率が４％以下、フィルム巾方向の熱収縮率が１％以下である。
【００２４】
次に、このようにして形成される金属化フィルム原反から引き出される金属化フィルムを、図２に示すように、金属化フィルム３の幅方向の両側にメタリコン４を設けている。このメタリコン４は、金属化フィルム３の両側反部に金属溶射してなり、電極部として形成するものである。また図２に示すように、金属化フィルム３の蒸着電極２は、図３の原反の状態から、蒸着膜の薄い高抵抗部９と、メタリコン４と接続する電極引出し部に蒸着膜を厚くした低抵抗部８とを備えている。
【００２５】
なお、図２で示すコンデンサ素子５の断面図は、分かりやすくするために多層に積層した金属化フィルムの一部のみを示したもので、実際には上下方向に隙間なく圧縮されている。
【００２６】
さらに、図２で示すコンデンサ素子５を複数用いてなるコンデンサについて図１を用いて説明する。なお、本実施の形態では、図１で示すように、コンデンサ素子５を、縦３列、横２列の計６個をケース内に配置する例について説明するが、この並べ方に限定するものではない。
【００２７】
図１において、６は図２で示すコンデンサ素子５のメタリコンどうしを接続するバスバー、７はケースを示す。
【００２８】
まず、上記した６個のコンデンサ素子５を、図１に示すように、３つのメタリコン４が同一面になるように配し、それぞれバスバー６にて接続する。さらに、コンデンサ素子５とバスバー６とをケース７内に配し、充填樹脂２０にて、ケース７内を充填する。なお、バスバー６により、コンデンサ素子５を並列接続させ、バスバー６の端部である接続端子部６ａを、ケース７に有する開口部７ａからケース外に出させ、コンデンサ素子５と、外部と接続するようにしている。
【００２９】
次に本実施の形態１からなる金属化フィルムコンデンサを、従来技術を対比しながら説明する。本実施の形態として、フィルム厚み：３μｍ、一方の蒸着電極には保安機構を形成し、低抵抗部：３Ω／□、高抵抗部：８Ω／□、表面粗さがＲｍａｘ：１．６μｍ、Ｒａ：０．０８μｍであり、フィルム長手方向の熱収縮率：３．５％、フィルム幅方向の熱収縮率：０．５％のＰＰフィルムを用いて、試料コンデンサ：２０００μＦを製作し、実施例１とした。
【００３０】
次に誘電体フィルムによる影響を調べるため、誘電体フィルムにポリエチレンテレフタレートフィルム（以下ＰＥＴ）を用いたこと以外は、厚み、蒸着金属の保安機構等は、実施例１と同じにしたコンデンサを試作し、比較例１とした。
【００３１】
このように製作した各試料コンデンサを、周囲温度：１００℃にて過電圧試験を行った。過電圧は７００ＶＤＣから開始し、１時間ごとに１００Ｖずつ昇圧して、初期容量に対する容量変化率がー９７％以上に至るまでのコンデンサ破壊状態を確認した。その結果を表１に示す。さらに、周囲温度：１００℃下、８００ＶＤＣにて１０００時間後の、初期容量に対する容量変化率を測定する長期耐用性試験を行ったので、その結果も合わせて表１に示す。
【００３２】
なお、各試験とも、各試料１０個ずつ作成し、試験を行なった。
【００３３】
【表１】
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【００３４】
表１に示すように、比較例１における試料コンデンサは、過電圧試験において全ての試料が破壊し、また、長期耐用試験においても、全ての試料が途中でショート破壊に至り、容積変化率が測定できなかった。
【００３５】
これに対し、本実施の形態における試料である実施例１のコンデンサでは、過電圧試験において、すべてのコンデンサが、９７％の容量減少が完了するまで途中で破壊することなく、オープン状態で容量減少が完了した。また長期耐用性試験においても、すべての試料が８％の容量減少にとどまる良好な結果が得られた。
【００３６】
このような結果は、誘電体フィルムにＰＥＴを用いた場合、ＰＥＴのガラス転移温度Ｔｇ：約８０℃であるため、Ｔｇを超えた環境下での使用においては、急激な絶縁低下を引き起こし、熱破壊に至ったものと推測される。
【００３７】
次に、蒸着電極の厚みとコンデンサ特性の影響を調べるために、本実施の形態における実施例１と、比較のために作成した比較例２から５について同様に、過電圧試験と長期耐用試験を行なったので、その結果を表２に示す。
【００３８】
表２において、実施例１は、上記同様、フィルム厚み：３μｍ、一方の蒸着電極には保安機構を形成し、低抵抗部：３Ω／□、高抵抗部：８Ω／□、表面粗さがＲｍａｘ：１．６μｍ、Ｒａ：０．０８μｍであり、フィルム長手方向の熱収縮率：３．５％、フィルム幅方向の熱収縮率：０．５％のＰＰフィルムを用いて、容量：２０００μＦのコンデンサを製作したものである。
【００３９】
これに対し、比較例２から５は、低抵抗部と高抵抗部の膜抵抗値のみを替え、他の厚み等は実施例１と同じにしたものである。比較例２から５の低抵抗部と高抵抗部は、表２に示す通りである。
【００４０】
【表２】
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【００４１】
表２より、長期耐用試験による容量変化については、高抵抗部の膜抵抗値を低抵抗部の膜抵抗値より高くした実施例１、比較例２および３が、各膜抵抗値を同じにした比較例４、５より容量減少が小さくできることがわかる。
【００４２】
次に、フィルム表面粗さとコンデンサ特性の影響を調べるために、フィルム表面粗さの異なるＰＰフィルムを用いたこと以外は、本実施の形態１と同様にコンデンサを試作した。試作した試料は、比較例６から９とし、最大表面粗さ、および平均表面粗さは表３に示すとおりである。
【００４３】
このような比較例６から９と、上記した本実施の形態の実施例１における、過電圧試験、長期耐用性試験の結果を表３に示す。
【００４４】
【表３】
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【００４５】
表３より、ＰＰフィルムの最大表面粗さが０．８μｍ以上で平均表面粗さが０．０５μｍ以上の場合（実施例１、比較例６）のみ、過電圧試験ならびに長期耐用性試験にて良好な結果が得られた。
【００４６】
これは最大表面粗さ：０．８μｍ以下、平均表面粗さ：０．０５μｍ以下の場合、金属化フィルムコンデンサのもつ自己回復性が低下したため、絶縁欠陥部を十分に切り離すことが出来ず、過電圧試験にてショート状態が発生したものと思われる。
【００４７】
なお、最大表面粗さ：２．０μｍ以上になると、長期耐用性試験における容量減少が大きくなって、ユーザーへの要求を十分に満たすことが困難となるので、２μｍ以下が適切である。
【００４８】
次に、フィルム熱収縮率との影響を調べるために、フィルム熱収縮率の異なるＰＰフィルムを用いたこと以外は、本実施の形態である実施例１と同じコンデンサを試作し、比較例１０から１２とした。比較例１０から１２のフィルム長手方向、および幅方向の熱収縮率は、表４に示すとおりである。
【００４９】
このような比較例１０から１２と、上記した本実施の形態の実施例１における、過電圧試験、長期耐用性試験の結果を表４に示す。
【００５０】
【表４】
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【００５１】
表４より、フィルム長手方向の熱収縮率４％以下、巾方向の熱収縮率１．０％以下の場合（実施例１、比較例１０）のみ、過電圧試験ですべての試料が破壊せず、安定したコンデンサ特性が得られた。
【００５２】
これは、フィルム長手方向の熱収縮率４％以上かつ幅方向の熱収縮率１．０％以上の場合、高温下における使用において、フィルムの収縮によりフィルム層間のエアギャップ層が少なくなり、その結果、金属化フィルムコンデンサのもつ自己回復性が低下したため、絶縁欠陥部を十分に切り離すことが出来ず、過電圧試験にてショート状態が発生したものと思われる。
【００５３】
以上のように、本実施の形態によるコンデンサは、金属化フィルムに用いる誘電体フィルムは、厚みを１〜４μｍとし、少なくとも片側の最大表面粗さが０．８〜２．０μｍ、かつ平均表面粗さが０．０５μｍ以上とし、さらに１２０℃１５分における熱収縮率がフィルム長手方向で４％以下、幅方向で１％以下であるＰＰフィルムとし、また、この誘電体フィルムに金属蒸着してなる金属化フィルムのメタリコンと接続する部分の電極厚みを、他の部分より厚くしたことにより、高温における優れた耐電圧特性、信頼性、安全性を高くでき、かつ小型軽量な金属化フィルムコンデンサを得ることが出来る。
【００５４】
また、図４は、本実施の形態により作成したコンデンサを用いたインバータ電源回路構成図であり、上記で示した金属化フィルムコンデンサ１４を、自動車駆動用モータを駆動するインバータ電源回路の平滑コンデンサとして用いた例である。図４において、１３は電池などの直流電源、１４は本発明の実施の形態で作成した金属化フィルムコンデンサ、１５はインバータ電源、１６は車輌等を駆動するための駆動用モーターである。
【００５５】
図４で示す構成によるインバータ電源回路では、平滑用としてフィルムコンデンサ１４を用いることにより、高温における優れた耐電圧特性、高い信頼性、および安全性を得ることができる。また、−４０℃下において急激な容量低下を招くアルミ電解コンデンサに対し、フィルムコンデンサは、コンデンサ容量の温度特性変化が少ないため、電圧変動の少ない安定したモータ出力を得ることが出来る。
【００５６】
なお、本実施の形態では、開口部を有するケース内に、６個のコンデンサ素子を配し、各素子のメタリコン電極とバスバーを接合したが、本発明は、これに限定するものではなく、ケース内に少なくとも１個のコンデンサ素子を配する構造とすることでも、同様の効果が得られる。
【００５７】
また、本実施の形態ではフィルム厚みを３μｍとしたが、本発明はこれに限定するものではなく、フィルム厚みは１〜４μｍの範囲内のものを用いても同様の効果が得られる。
【００５８】
また、本実施の形態では図３のような四角形状からなる格子状分割電極を例として説明したが、本発明はこれに限定するものではなく、他の形状例えば菱形状や六角形状、三角形状の格子状分割電極においても同様の結果を得た。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明の金属化フィルムコンデンサならびにインバータ電源では、インバータ電源の高電圧化によるシステム効率アップ、ならびにインバータ電源の小型化を図ることができ、電気自動車、ハイブリッド自動車等の車載用インバータ電源として産業上有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】（ａ）本発明の実施の形態１におけるコンデンサ内部構造を断面で示す側面図（ｂ）同正面図
【図２】本発明の実施の形態１におけるコンデンサ素子断面図
【図３】本発明の実施の形態１における金属化フィルムの原反を示す斜視図
【図４】本発明の実施の形態１における金属化フィルムコンデンサを用いたインバータ電源における構成回路図
【符号の説明】
【００６１】
１  誘電体フィルム
２  蒸着電極
３  金属化フィルム
４  メタリコン
５  コンデンサ素子
７  ケース
８  低抵抗部
【図１】
2005093516.tif 000007
【図２】
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【図３】
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【図４】
2005093516.tif 000010