(57)【要約】  【課題】  静電容量の温度変化率を小さくすることが可能なフィルムコンデンサ、連結型コンデンサ、ならびにインバータ、電動車輌を提供する。  【解決手段】  フィルムコンデンサＡは、巻芯部１と、該巻芯部１に巻回された金属膜３が貼られた誘電体フィルム５の巻回部７とを備え、巻芯部１の熱膨張の変化と、巻回部７における誘電体フィルム５の室温付近の温度を基準にした比誘電率の温度変化とが、反対の傾きを有するものである。連結型コンデンサＢは、上記のフィルムコンデンサＡがバスバーにより複数個接続されているものであり、本発明のインバータＣは、スイッチング素子により構成されるブリッジ回路３１と、該ブリッジ回路３１に接続された容量部３３とを備えており、容量部３３が上記のフィルムコンデンサＡまたは連結型コンデンサＢである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
巻芯部と、該巻芯部に巻回された、金属膜が貼られた誘電体フィルムの巻回部とを備え、前記巻芯部の熱膨張の温度変化と、前記巻回部における前記誘電体フィルムの室温付近の温度を基準にした比誘電率の温度変化とが、反対の傾きを有することを特徴とするフィルムコンデンサ。
【請求項２】
前記巻芯部が有機樹脂の中実体であることを特徴とする請求項１に記載のフィルムコンデンサ。
【請求項３】
前記巻芯部の構成材料が、ポリエチレン（ＰＥ）またはタングステン酸ジルコニウム（ZrW2O8）であり、前記巻回部における前記誘電体フィルムの構成材料が、ポリプロピレン（ＰＰ）またはポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）であることを特徴とする請求項１または２に記載のフィルムコンデンサ。
【請求項４】
請求項１乃至３のうちいずれかに記載のフィルムコンデンサが、バスバーにより複数個接続されていることを特徴とする連結型コンデンサ。
【請求項５】
スイッチング素子により構成されるブリッジ回路と、該ブリッジ回路に接続された容量部とを備えているインバータであって、前記容量部が請求項１乃至３のうちいずれかに記載のフィルムコンデンサであることを特徴とするインバータ。
【請求項６】
スイッチング素子により構成されるブリッジ回路と、該ブリッジ回路に接続された容量部とを備えているインバータであって、前記容量部が請求項４に記載の連結型コンデンサであることを特徴とするインバータ。
【請求項７】
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、を備えている電動車両であって、前記インバータが請求項５または請求項６に記載のインバータであることを特徴とする電動車輌。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フィルムコンデンサ、連結型コンデンサ、ならびにインバータ、電動車輌に関する。
【背景技術】
【０００２】
図８は、巻回型のフィルムコンデンサの一例を模式的に示す斜視図である。図８に示すフィルムコンデンサは、誘電体フィルム１０１の表面に金属膜１０３を形成した金属化フィルム１０５を多数回巻回することによりコンデンサ本体１０７が形成され、このコンデンサ本体１０７の両端部に、金属を溶射することにより形成されたメタリコンが外部電極１０９として設けられている（例えば、特許文献１、２を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１−１５５６１２号公報
【特許文献２】特開２０１１−２３８８１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、ハイブリッド自動車のモータ駆動や太陽光発電のインバータシステムに、高耐圧かつ低損失という利点によりフィルムコンデンサが多用されているが、フィルムコンデンサに用いられている誘電体フィルムは、通常、常誘電体ではあるものの、比誘電率が温度によって変化する性質を有している。このため使用温度によって静電容量の温度変化率が大きくなるという問題がある。
【０００５】
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、静電容量の温度変化率を小さくすることが可能なフィルムコンデンサ、連結型コンデンサ、ならびにインバータ、電動車輌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】
【０００６】
本発明のフィルムコンデンサは、巻芯部と、該巻芯部に巻回された、金属膜が貼られた誘電体フィルムの巻回部とを備え、前記巻芯部の熱膨張の温度変化と、前記巻回部における前記誘電体フィルムの室温付近の温度を基準にした比誘電率の温度変化とが、反対の傾きを有するものである。
【０００７】
本発明の連結型コンデンサは、上記のフィルムコンデンサが、バスバーにより複数個接続されている。
【０００８】
本発明のインバータは、スイッチング素子により構成されるブリッジ回路と、該ブリッジ回路に接続された容量部とを備えているインバータであって、前記容量部が上記のフィルムコンデンサまたは連結型コンデンサであるものである。
【０００９】
本発明の電動車輌は、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、を備えている電動車両であって、前記インバータが上記のインバータであるものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のフィルムコンデンサによれば、静電容量の温度変化率を小さくすることが可能
になり、特性の優れた連結型コンデンサ、ならびにインバータ、電動車輌を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明のフィルムコンデンサの一実施形態の構成を模式的に示した展開斜視図である。
【図２】図２は、図１に示すフィルムコンデンサを構成する巻芯部の熱膨張および巻回部における誘電体フィルムの比誘電率の温度変化を示すグラフである。
【図３】巻芯部が有機樹脂フィルムを巻回して構成された状態を示す模式図である。
【図４】図４は、各種従来のフィルムコンデンサの静電容量の温度変化を示すグラフである。
【図５】本発明の連結型コンデンサの一実施形態の構成を模式的に示した斜視図である。
【図６】本発明のインバータの一実施形態の構成を説明するための概略構成図である。
【図７】本発明の電動車輌の一実施形態を示す概略構成図である。
【図８】従来の巻回型のフィルムコンデンサを模式的に示した展開斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１は、本発明のフィルムコンデンサの一実施形態の構成を模式的に示した展開斜視図である。図２は、図１に示すフィルムコンデンサを構成する巻芯部の熱膨張および巻回部における誘電体フィルムの比誘電率の温度変化を示すグラフである。図２では、仮の場合として、実線が巻芯部１を構成する材料の熱膨張の変化に対応し、破線が巻回部７の誘電体フィルム５を構成する材料の比誘電率の変化に対応する。
【００１３】
本実施形態のフィルムコンデンサＡは、当該フィルムコンデンサＡの中心に巻芯部１を有し、この巻芯部１を取り巻くように金属膜３が貼られた誘電体フィルム５（以下、金属膜３が貼られた誘電体フィルム５のことを金属化フィルム６という場合がある。）が巻回され、巻回部７が構成され、これによりコンデンサ本体８が形成されている。なお、図１の巻芯部１は断面形状が円形状であるが楕円形状であっても良い。
【００１４】
図１に示すフィルムコンデンサＡには、金属化フィルム６が２層重ねられて構成される巻回部７の対向する端面に外部電極１１ａ、１１ｂとしてメタリコン電極が設けられている。なお、図１では、理解を容易にするため、金属膜３、誘電体フィルム５を紙面奥から手前に向けて厚く記載したが、実際の厚みは均一厚みである。
【００１５】
そして、本実施形態では、巻芯部１の熱膨張の温度に対する変化（以下、熱膨張曲線という場合がある。）と、巻回部７における誘電体フィルム５の室温付近の温度を基準にした比誘電率の温度に対する変化（以下、比誘電率の温度特性という場合がある。）とが、反対の傾きを有する。
【００１６】
言い換えると、誘電体フィルム５の室温付近の温度を基準にした比誘電率の温度特性が正の傾きを有する場合には、巻芯部１の熱膨張曲線が負の傾きであり、逆に、誘電体フィルム５の室温付近の温度を基準にした比誘電率の温度特性が負の傾きを有する場合には、巻芯部１の熱膨張曲線が正の傾きである。さらに言い換えると、図２に示しているように、巻回部７の誘電体フィルムの比誘電率の温度依存性を巻芯部１の熱膨張で補正したものとなる。
【００１７】
室温とは、例えば、２０℃もしくは２５℃であり、室温付近の温度を基準にした比誘電率の温度変化の傾きとは、比誘電率の温度変化を示す曲線に対して、室温で接線を引いたときのその接線の傾きをいう。熱膨張の傾きとは、熱膨張係数の符号がプラスかマイナス
かで判断する。
【００１８】
このような構成を採用することにより、誘電体フィルム５の室温付近の温度を基準にした比誘電率の温度特性が正の傾きを有する場合には、例えば、フィルムコンデンサＡの使用環境温度が高くなると、誘電体フィルム５の比誘電率が高くなり、静電容量が高くなる傾向にあるが、巻芯部１の熱膨張曲線の傾きが負であるため、巻芯部１が収縮し、この巻芯部１を巻回している巻回部７の誘電体フィルム５と金属膜３との密着性が低下し、あるいは金属膜３間の距離が大きくなり（誘電体フィルム５の厚みが厚くなり）、静電容量が低下するため、フィルムコンデンサＡ全体としての温度に対する静電容量の変化率を低減できる。
【００１９】
逆に、フィルムコンデンサＡの使用環境の温度が低くなると、誘電体フィルム５の比誘電率が低くなり、静電容量が低くなるが、巻芯部１が膨張し、巻回部７における誘電体フィルム５と金属膜３との密着性が向上し、あるいは金属膜３間の距離が小さくなり、静電容量が高くなるため、フィルムコンデンサＡ全体としての静電容量の温度変化率を低減できる。
【００２０】
一方、誘電体フィルム５の室温付近の温度を基準にした比誘電率の温度特性が負の傾きを有する場合にも、上記と同様、フィルムコンデンサＡ全体としての温度に対する静電容量の変化率を低減できる。
【００２１】
言い換えると、本実施形態のフィルムコンデンサＡによれば、例えば、巻回部７を構成している誘電体フィルム５が、比誘電率の温度依存性により静電容量が正（温度上昇とともに、静電容量が大きくなる方向）の温度依存性を示す場合でも、巻芯部１の熱膨張係数が負（温度上昇とともに、収縮する方向）の温度依存性を示すものであることから、誘電体フィルム５と金属膜３との間の密着性が低下し、静電容量の温度変化を相殺できる。その結果、フィルムコンデンサＡ全体としての静電容量の温度変化率を小さくすることができる。
【００２２】
この場合、巻芯部１が有機樹脂の中実体であることが望ましい。巻芯部１が中実体であると、巻芯部１が、熱膨張収縮し易くなり、フィルムコンデンサＡにおける静電容量の温度変化率を相殺できる効果を高めることができる。
【００２３】
本発明は、特に、室温付近、例えば、−６０℃〜１００℃、特には−４０℃〜８５℃、さらには−２０℃〜６０℃の範囲で使用されるフィルムコンデンサに好適に使用できる。
【００２４】
図３は、巻芯部１が有機樹脂フィルム１５の巻回体１ａとなっていることを模式図である。また、巻芯部１に有機樹脂フィルム１５の巻回体を用いた場合についても、同様の効果を得ることができる。
【００２５】
図４は、各種従来のフィルムコンデンサの静電容量の温度変化率を示すグラフ（「フィルムコンデンサについて」第８版  ２００７年６月２日  ルビコン株式会社  ルビコン電子株式会社）である。ここで、ＰＥＴとして示す符号はポリエチレンテフタレート、以下同様に、ＰＥＮはポリエチレンナフタレート、ＰＰＳはポリフェニレンスルフィドおよびＰＰはポリプロピレンをそれぞれ表している。
【００２６】
図４からわかるように、ポリエチレンテフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）が、室温付近の温度を基準にした比誘電率の温度変化率の傾きが正であり、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリプロピレン（ＰＰ）の比誘電率の温度変化率の傾きが負である。
【００２７】
そして、巻芯部１の材料としては、ポリエチレン（ＰＥ）またはタングステン酸ジルコニウム（ZrW2O8）、巻回部７の材料としては、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）またはポリプロピレン（ＰＰ）用いることができる。
【００２８】
図５は、本発明の連結型コンデンサの一実施形態の構成を模式的に示した斜視図である。図５においては構成を分かりやすくするために、ケースならびにモールド用の樹脂を省略して記載している。本実施形態の連結型コンデンサＢは、複数個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た構成となっている。バスバー２１、２３は、外部接続用の端子部２１ａ、２３ａとフィルムコンデンサＡの外部電極１１ａ、１１ｂにそれぞれ接続される引出端子部２１ｂ、２３ｂにより構成されている。
【００２９】
連結型コンデンサＢに上記したフィルムコンデンサＡを適用すると、静電容量の温度変化率の小さい連結型コンデンサＢを得ることができる。
【００３０】
なお、連結型コンデンサＢは、図５に示したような平面的な配置の他に、フィルムコンデンサＡの平坦な面同士が重なるように積み上げた構造であっても同様の効果を得ることができる。
【００３１】
図６は、本発明のインバータの一実施形態の構成を説明するための概略構成図である。図６には、直流から交流を作り出すインバータＣの例を示している。本実施形態のインバータＣは、図６に示すように、スイッチング素子（例えば、ＩＧＢＴ（Insulated gate Bipolar Transistor））とダイオードにより構成されるブリッジ回路３１と、電圧安定化
のためにブリッジ回路３１の入力端子間に配置された容量部３３とを備えた構成となっている。ここで、容量部３３として上記のフィルムコンデンサＡまたは連結型コンデンサＢが適用される。
【００３２】
なお、このインバータＣは、直流電源の電圧を昇圧する昇圧回路に接続されることになる。一方、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）に接続されることになる。
【００３３】
インバータＣの容量部３３に上記した本実施形態のフィルムコンデンサＡまたは連結型コンデンサＢを適用すると、インバータＣに占める容量部３３の体積を小さくすることができるため、より小型化かつ静電容量の大きい容量部３３を有するインバータＣを得ることができる。また、高温域においても変調波の変動の小さいインバータＣを得ることができる。
【００３４】
図７は、本発明の電動車輌の一実施形態を示す概略構成図である。図７には、電動車輌Ｅとしてハイブリッド自動車（ＨＥＶ）の例を示している。
【００３５】
図７における符号４１は駆動用のモータ、４３はエンジン、４５はトランスミッション、４７はインバータ、４９は電源（電池）、５１ａ、５１ｂは前輪および後輪である。
【００３６】
この電動車輌Ｅは、駆動源としてモータ４１またはエンジン４３、もしくは両方の出力がトランスミッション４５を介して左右一対の前輪５１ａに伝達される機能を主として備えており、電源４９はインバータ４７を介してモータ４１に接続されている。
【００３７】
また、図６に示した電動車輌Ｅには、電動車輌Ｅ全体の統括的な制御を行う車輌ＥＣＵ５３が設けられている。車輌ＥＣＵ５３には、イグニッションキー５５や図示しないアクセルペダル、ブレーキ等の電動車輌Ｅからの運転者等の操作に応じた駆動信号が入力され
る。この車輌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。
【００３８】
本実施形態のフィルムコンデンサＡまたは連結型コンデンサＢを容量部３３として適用したインバータＣを、例えば、図６に示すような電動車輌Ｅに搭載すると、フィルムコンデンサＡまたは連結型コンデンサＢが、静電容量の温度変化率の小さい容量部３３を備えるものであることから、エンジンルーム内の温度変化の大きいところにインバータＣを配置させることができ、その結果、制御装置の占める領域を小さくすることができる。
【００３９】
なお、本実施形態のインバータＣ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）や電動自転車、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。
【００４０】
本実施形態のフィルムコンデンサＡは、例えば、以下に示すような製造方法によって得ることができる。まず、巻回体７を構成する誘電体フィルム５の母材となる有機樹脂を用意する。
【００４１】
有機樹脂としては、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレンテフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）およびポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）から選ばれる１種の高分子化合物が好適である。
【００４２】
また、巻芯部１の材料としては、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）またはタングステン酸ジルコニウム（ZrW2O8）を用意する。
【００４３】
誘電体フィルム１を形成する場合、例えば、基材としてＰＥＴフィルムを準備し、上記した高分子化合物を溶剤に溶解させてスラリ状に調製し、これをＰＥＴフィルム上に成膜することにより誘電体フィルム５を得る。なお、成膜には、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から選ばれる一種の成形法を用いる。
【００４４】
次に、得られた誘電体フィルム５の表面にＡｌ（アルミニウム）などの金属成分を蒸着することによって金属膜３を形成し、次いで、金属膜３を形成した誘電体フィルム５を、図１に示すように巻芯部１の周囲に巻回させてフィルムコンデンサＡのコンデンサ本体８を得る。
【００４５】
次に、コンデンサ本体８の金属膜３が露出した端面に外部電極１１ａ、１１ｂとしてメタリコン電極を形成する。外部電極１１ａ、１１ｂの形成には、例えば、金属の溶射、スパッタ法、メッキ法などが好適である。次いで、外部電極１１ａ、１１ｂを形成した本体部８の表面に外装部材で囲うことによって本実施形態のフィルムコンデンサＡを得ることができる。
【００４６】
連結型コンデンサＢは、フィルムコンデンサＡを複数個（本実施形態においては４個）並べた状態とし、本体部８の両端にそれぞれ形成された外部電極１１ａ、１１ｂ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ることができる。
【００４７】
なお、連結型コンデンサＢを樹脂でモールドするタイプに形成する場合には、バスバー２１、２３を取り付けて連結したフィルムコンデンサＡをケースに入れ、次いで、ケース内に樹脂を充填することによって作製する。
【実施例】
【００４８】
表１に示すように、具体的な材料の選択を行ってフィルムコンデンサを作製し、以下の評価を行った。
【００４９】
まず、金属化フィルムとして片面にアルミニウム（Ａｌ）を蒸着した、ポリプロピレン（ＰＰ）フィルムおよびポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）フィルムを準備した。この金属化フィルムは幅５０ｍｍでアルミニウム（Ａｌ）が蒸着されていない領域２ｍｍ残すようにして裁断し、ずらし幅１ｍｍで２枚重ね合わせて巻回してコンデンサ本体を作製した。巻芯部にはφ５ｍｍの円柱状で、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）およびタングステン酸ジルコニウムを適用した。コンデンサ本体の側面に銅のメタリコン電極を形成することにより、静電容量が約１０μＦのフィルムコンデンサを作製した。
【００５０】
また、比較例として、上記の方法により作製したコンデンサ本体から巻芯部を抜きプレス成型したものを作製した（試料Ｎｏ．３、５）。
【００５１】
フィルムコンデンサの静電容量は、試料を恒温槽内に入れ、周囲の温度を−４０〜８５℃に変化させたときの静電容量をＬＣＲメータを用いてそれぞれ測定し、室温２５℃における静電容量からの変化量を室温２５℃における静電容量で割ることで静電容量の温度変化率を求めた。周波数は１ｋＨｚとした。
【００５２】
巻芯部の熱膨張係数は、巻回する前にＪＩＳ  Ｋ７１９７「プラスチックの熱機械分析による線膨張率試験方法」により測定した。
【００５３】
【表１】
2016139769.tif 000003
【００５４】
表１の結果から明らかなように、誘電体フィルムにポリプロピレン（ＰＰ）を適用し、巻芯部にポリエチレン（ＰＥ）を適用した試料（試料Ｎｏ．１）、および誘電体フィルムにポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）を適用し、巻芯部にタングステン酸ジルコニウム（ZrW2O8）を適用した試料（試料Ｎｏ．２）、および巻芯部および誘電体フィルムにポリプロピレン（ＰＰ）を適用した試料（試料Ｎｏ．４）は、いずれも、−４０〜８５℃における静電容量の変化率が±１．５％以内であった。
【００５５】
これに対し、巻芯部を有しない試料（試料Ｎｏ．３、５）は、−４０〜８５℃における静電容量の変化率が±２％以上であった。
【符号の説明】
【００５６】
Ａ・・・・・・・・・フィルムコンデンサ
Ｂ・・・・・・・・・連結型コンデンサ
Ｃ、４７・・・・・・インバータ
Ｅ・・・・・・・・・電動車輌
１・・・・・・・・・巻芯部
３・・・・・・・・・金属膜
５・・・・・・・・・誘電体フィルム
６・・・・・・・・・金属化フィルム
７・・・・・・・・・巻回部
８・・・・・・・・・コンデンサ本体
１１ａ、１１ｂ・・・外部電極
２１、２３・・・・・バスバー
２１ａ、２３ａ・・・外部接続用の端子部
２１ｂ、２３ｂ・・・引出端子部
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
【図１】
2016139769.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図４】
2016139769.tif 000011