JP2005175120A

JP2005175120A - コンデンサ及びその製造方法

Info

Publication number: JP2005175120A
Application number: JP2003411508A
Authority: JP
Inventors: Hajime Kurahashi; 肇倉▲はし▼; Misao Katayama; 操片山
Original assignee: Fujinon Sano Corp
Current assignee: Fujinon Sano Corp
Priority date: 2003-12-10
Filing date: 2003-12-10
Publication date: 2005-06-30
Also published as: KR20050056882A; CN1645531A

Abstract

【課題】コンデンサとして、優れた耐熱性を有し、薄型で、高い静電容量を持たせるようにする。
【解決手段】ガラス、セラミック等の電気絶縁性を有し、耐熱性のある基板１上に、真空蒸着手段によって、第１の導電膜２、誘電体膜３、第２の導電膜４を成膜するが、第１，第２の導電膜２，４は広い面積を有する電極板部２ａ，４ａと、端子部２ｂ，４ｂとを有するものであり、誘電体膜３は少なくとも第１の導電膜２の電極板部２ａ，４ａを完全に覆うようになし、誘電体膜３は前述した端子部２ｂ，４ｂが形成されている部位を露出するようにして積層される。
【選択図】図２

Description

本発明は、コンデンサ及びその製造方法に関し、特に耐熱性が良好で、しかも薄型で大容量のコンデンサ及びその製造方法に関するものである。

コンデンサは、電極板を誘電体で挟むように構成した電子部品であり、その静電容量（Ｃ）は、周知のように、Ｃ＝ε₀×ε×Ｓ÷ｄ（ε₀＝真空の誘電率、ε＝誘電体の比誘電率、Ｓ＝電極板の面積、ｄ＝電極間の距離）という式で表される。ここで、ε₀は一定であるから、静電容量（Ｃ）を大きくするには、εまたはＳを大きくするか、若しくはｄを小さくすれば良い。そして、大きな静電容量を有するコンデンサとしては、薄いプラスチックフィルムの表面にアルミニウムを蒸着し、これを巻回させて円筒状の容器に油と共に封入するように構成したものが従来から広く用いられている。

小型でコンパクトな構成により高い静電容量を持つコンデンサとして、例えば電気二重層コンデンサが従来から知られている（例えば、特許文献１参照）。この電気二重層コンデンサは、正極積層帯と負極積層帯との間に電解液に含浸保持されたセパレータが設けられ、これら正極積層帯、セパレータおよび負極積層帯が巻回されて電極巻回体を構成する。このように、正極積層帯、セパレータおよび負極積層帯から構成される電極巻回帯を巻回することにより、高い静電容量の確保およびコンデンサの小型化を行っている。
特開２００２−１３４３７０号公報

しかしながら、以上のような電気二重層コンデンサに用いられるセパレータとしては、一般にプラスチックフィルムや油などを用いているため、耐熱性に劣り、高温状態で使用されると焼損のおそれがあり、また一度焼損してしまったものは、常温状態に戻ってもコンデンサとしての機能を果たすことができないという問題点がある。また、誘電体としてフィルムを用いていることから、ある程度の厚みを有し、電極間距離を短縮するのに限界がある等といった課題もある。さらに、前述したように、ウエットタイプのコンデンサとして構成する場合には、液漏れを防止するために、シール機構を設けなければならず、このためにコンデンサの構成が複雑になる等といった不都合もある。

本発明では、以上のような問題点に鑑み、基板上にコンデンサを構成する誘電体及び電極部材を真空蒸着による成膜手段により順次積層するようにしてコンデンサを形成することにより、コンデンサに優れた耐熱性を付与し、またその容積の小型化が図られ、さらに高い静電容量の確保を実現するコンデンサを提供することを目的とする。

前述した目的を達成するために、本発明によるコンデンサは、耐熱性に優れ、電気絶縁性を有する基板と、真空蒸着手段によって基板上に形成され、電極板部と端子部とからなる第１の導電膜と、前記第１の導電膜の電極板部全体を覆い、かつ前記端子部を露出させるようにして真空蒸着手段によって、この第１の導電膜上に積層される誘電体膜と、前記誘電体膜上に真空蒸着手段により積層され、前記第１の導電膜における電極板部と短絡しないようにして対向配設される電極板部と、前記第１の導電膜に形成した端子部とは異なる位置に配置された端子部とからなる第２の導電膜とから構成したことをその特徴としている。

要するに、本発明においては、コンデンサを構成する相対向する電極板及びその間の距離を形成するための誘電体を、いずれも真空蒸着による成膜手段で構成している。そして、最外層を構成する第２の導電膜は露出させたままにするのではなく、この第２の導電膜上に、さらにこの第２の導電膜の電極板部全体を覆い、かつ第１，第２の導電膜の端子部を露出させるようにして誘電体膜を真空蒸着手段により積層する構成とするのが望ましい。そして、静電容量を大きくするには、第１の導電膜と、この第１の導電膜に積層される誘電体膜と、第２の導電膜と、この第２の導電膜に積層される誘電体膜とを１つの蒸着膜積層ユニットとして、基板上に複数の蒸着膜積層ユニットを形成することができ、さらにこの複数の蒸着膜積層ユニットは、基板の片面だけでなく、両面に形成すると、さらに静電容量を大きくすることができる。そして、これらにおいて、基板の表面に直接第１の導電膜を形成するようにしても良いが、コンデンサと、その基板との間を隔離した状態に保持するために、下地となる誘電体膜を形成する構成とすることもできる。

また、本発明におけるコンデンサの製造方法としては、耐熱性に優れ、電気絶縁性を有する基板上に、真空蒸着手段を用いて、電極板部と端子部とを有するように第１の導電膜を形成し、この第１の導電膜上には、真空蒸着手段によって、その電極板部全体を覆い、かつ前記端子部を露出させるように誘電体膜を積層し、さらにこの誘電体膜上に真空蒸着を行うことによって、前記第１の導電膜における電極板部と短絡しないようにして対向配設される電極板部と、前記第１の導電膜に形成した端子部とは異なる位置に配置された端子部とが形成されるようにして第２の導電膜を積層させることをその特徴としている。そして、これら第１の導電膜、誘電体膜及び第２の導電膜を蒸着する際には、蒸着領域を限定するためにマスク手段を用いるのが望ましい。

このコンデンサの製造方法において、基板に下地用の誘電体膜を真空蒸着手段で形成し、次いで順次前記第１の導電膜と、この第１の導電膜に積層される誘電体膜と、第２の導電膜と、この第２の導電膜に積層される誘電体膜とを積層させることにより１つの蒸着膜積層ユニットとなし、この蒸着膜積層ユニットを複数ユニット形成することもでき、また基板の両面にこれら複数の蒸着膜積層ユニットを形成しても良い。そして、基板の両面に複数の蒸着膜ユニットを形成する場合には、真空蒸着による成膜は、基板の一側面と他側面とに交互に行うようにすれば、基板に対する応力が増大するのを防止できるようになる。

基板の材料としては、ガラス，セラミック，合成樹脂等、電気絶縁性を有する部材が望ましいが、表面に絶縁処理が施されておれば、例えば金属等の導電部材で形成することもできる。また、第１，第２の導電膜は、蒸着可能な金属であれば良く、例えば白金，金，銀，パラジウム及びそれらの合金、銅，アルミニウム，ニッケル及びそれらの合金等が好適である。また、透明なコンデンサを形成するには、ＩＴＯ(Indium Tin Oxide)を用いることができる。一方、下地を含めた誘電体膜としては、Ｔａ₂Ｏ₅，ＳｉＯ₂，ＴｉＯ₂，Ａｌ₂Ｏ₃，ＭｇＦ等を用いることができる。

本発明によるコンデンサは、高い静電容量が確保され、コンデンサの高性能化を実現することができる。また、コンデンサの各部材を成膜により形成することにより、薄型化及び小型化を実現することができ、また任意のパターン形状とすることもできる。さらに、基板とそれに積層される蒸着膜は共に高い耐熱性を有しているので、高耐熱性を有するコンデンサを得ることができる。

本発明のコンデンサは、図１及び図２に示したように、ガラス、セラミック等のように、電気絶縁性を有し、耐熱性のある基板１の上に第１の導電膜２を蒸着し、その上に誘電体膜３を蒸着し、また誘電体膜３の上に第２の導電膜４を蒸着することにより構成される。第１，第２の導電膜２，４は広い面積を有する電極板部２ａ，４ａと、端子部２ｂ，４ｂとを有するものであり、また誘電体膜３は少なくとも第１の導電膜２の電極板部２ａ，４ａを完全に覆う面積を有するものである。ただし、誘電体膜３は前述した端子部２ｂ，４ｂが形成されている部位を露出するようにして積層される。そして、好ましくは、上部側の電極となる第２の導電膜４上に、図示はしないが、誘電体膜３と実質的に同じサイズの誘電体膜が積層されている。この最外層の誘電体膜は製造されたコンデンサが樹脂等でパッケージングされる場合は必ずしも必要はないが、保護膜として機能させるために形成するのが望ましい。

第１，第２の導電膜２，４は異なる材料を用いても良いが、製造工程を簡略化するために、同じ材料のものを用いる方が望ましい。その材料としては、例えば導電性を有する金属、特にアルミニウム等の真空蒸着に適した金属材を用いるが、コンデンサに透明性が要求される場合には、ＩＴＯ膜で形成することができる。一方、誘電体膜３は、二酸化珪素（ＳｉＯ₂）等も用いることができるが、誘電率が高く、しかも絶縁率の大きな材料として酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）が好適に用いられる。

前述した電極間距離（ｄ）を小さくするためには、誘電体膜３はできるだけ薄膜化することが望ましいが、誘電体膜３を極端に薄膜化すると、耐電圧特性が低下して、部分的に短絡が発生する等、絶縁破壊が生じる可能性が高くなる。従って、ある程度の厚み、即ち５００ｎｍ乃至それ以上の厚みを持たせるようにする方が望ましい。これに対して、第１，第２の導電膜２，４は、誘電体膜３より薄膜化が可能であり、例えば２００ｎｍ乃至それ以下の厚みであっても良い。さらに、基板１の厚みは、成膜時に発生する応力で変形しない程度の厚みを持たせれば良く、その範囲でできるだけ薄いものとすることができる。

第１の導電膜２，誘電体膜３及び第２の導電膜４が真空蒸着により順次積層されるが、第１，第２の導電膜２，４の電極板部２ａ，４ａは、誘電体膜３より面積が小さいものであり、誘電体膜３を間に介在させることによって、これらの電極板部２ａ，４ａ間が短絡しないようになし、かつ相対向するように配設される。また、第１，第２の導電膜２，４には、それぞれ端子部２ｂ，４ｂが形成されている。従って、真空蒸着を行う際には、マスクを行う必要がある。そこで、図３に示したように、基板１よりサイズの大きく、しかも成膜される部位に打ち抜き部５ａを形成したマスク板５を用いて成膜を行う。ここで、第１の導電膜２と第２の導電膜４とを形成するに当って、それぞれ異なる位置に端子部２ｂ，４ｂを形成する領域を必要とするが、マスク板５を反転させるようにして用いることができる。従って、実際上では、１種類のマスク板５を用意すれば良い。また、誘電体膜３を形成する際にも、第１の導電膜２における電極板部２ａを完全に覆い、端子部２ｂを覆わないようにするために、図４に示したような打ち抜き部６ａを有するマスク板６を用いる。このマスク板６は単純な枠状のものとすることができる。以上のようにして第１，第２の導電膜２，４及び誘電体膜３を蒸着するが、マスク板５，６による基板１におけるマスクパターンは図３及び図４に斜線で示されている。ここで、第１，第２の導電膜２，４は電極板を構成し、また誘電体膜３は第１，第２の導電膜２，４間に短絡を生じさせないようにするために、前述した蒸着を行うに当っては、高密度の成膜が必要となるので、真空度を高めるようにする。また、第２の誘電体膜４上に積層される誘電体膜も、誘電体膜３の形成時に使用したマスク板６を用いて蒸着することができる。

基板１の表面に第１の導電膜２として、アルミニウムを真空蒸着した。この蒸着時には、マスク板を用いて、第１の導電膜２の厚みが約２００ｎｍとし、また端子部２ｂを形成した。そして、この第１の導電膜２上を完全に覆うようになし、かつ端子部２ｂは覆わないようにして、酸化タンタルからなる誘電体膜３を積層させた。この導電膜３の厚みは５００ｎｍとした。さらに、この導電膜３の上に第２の導電膜４として、第１の導電膜２と同じパターンで、同じ厚みとし、端子部４ｂの引き出し位置が第１の導電膜２の端子部２ｂと重なり合わないように、つまり基板１上において、端子部２ｂと端子部４ｂとが左右に分かれるようにして蒸着した。さらに、この第２の導電膜４の上に、誘電体膜３と同じ材質で、同じパターン、同じ厚みとなるように、蒸着手段によって誘電体の膜を形成した。

このようにして形成したコンデンサには、その端子部２ｂ，４ｂ間に直流電源から電圧を印加した後にこの電源との接続を遮断して、端子２ｂ，４ｂ間の電圧を測定したところ、直流電源の電圧とほぼ同じ電圧が残っていることが確認され、コンデンサとしての蓄電効果が得られた。

このように、誘電体の厚みを薄くしているので、その分だけ静電容量（Ｃ）を大きくすることができる。また、蒸着膜は、その表面に微小凹凸があり、この凹凸分だけ表面積が実質的に大きくなるので、導電膜２，４の表面積（Ｓ）は見かけの面積より大きくなる。従って、この点からも、静電容量（Ｃ）が大きくなる。しかも、このコンデンサは導電膜と誘電体層とを成膜手段により形成されているので、基板１の厚みを実質的に増大させることがなく、従って薄型でコンパクトなコンデンサが形成される。

そして、このようにして形成したコンデンサは、ガラス製の基板１に真空蒸着により電極部と誘電体層とを積層する構成となっているので、耐熱性が極めて高くなり、高温条件下で使用しても、焼損等が発生するおそれがなく、物理的特性を極めて安定した状態に保持でき、長期間にわたって使用しても、静電容量を安定的に保持できる。そして、このようにして形成されるコンデンサは液体を用いないドライタイプのものであり、従ってシール機構を設ける必要はない。

ここで、実際にコンデンサとして製造するに当って、静電容量を大きくすることが望まれるために、導電膜及び誘電体膜の積層数を多くして、図５に等価回路として示したような平行板コンデンサを形成するように構成することができる。このように構成すると、導電膜の両面が電極として機能するようになるので、静電容量をより大きくすることができる。

即ち、図６に模式的に示したように、基板１には、まず誘電体膜３を積層する。この誘電体膜３の上に第１の導電膜２を、またこの第１の導電膜２の上に誘電体膜３を、さらに第２の導電膜４を、さらにまたこの第２の導電膜４の上に誘電体膜３を積層させる。このように交互に導電膜と誘電体膜とを積層した４層の積層体を１つの蒸着膜積層ユニット１０として、順次８つの蒸着膜積層ユニット１０を形成することによって、８対の平行板からなるコンデンサが形成される。

ここで、各ユニットにおける第１の導電膜２の各端子部２ｂ間、及び第２の導電膜４における各端子部４ｂ間は相互に電気的に導通していなければならないが、真空蒸着を行うに当って、電極板として機能する導電膜２，４の部位だけでなく、端子部２ｂ，４ｂの部位も打ち抜いたマスク板５を用いるようにしている。そこで、このマスク板５を位置決めした状態で蒸着することによって、成膜時において上下に配置される端子部２ｂ，２ｂ間、及び端子部４ｂ，４ｂ間が電気的に確実に導通するように積層されることになる。また、第１，第２の導電膜２，４間に介装される誘電体膜３を形成する際には、マスク板６を用いて、その下層を構成する第１，第２の導電膜２，４の電極板部２ａ，４ａより広い打ち抜き部６ａを有するものであるから、正確に位置決めすることにより、第１，第２の導電膜２，４間に短絡が生じるおそれがない。

以上のように、誘電体膜と導電膜とを順次交互に真空蒸着により積層することによって、所定の静電容量を有するコンデンサを形成することができるが、真空蒸着により膜付けすると、膜総数が多くなればなるほど、基板１に作用する応力によって歪みや反り等が発生する。従って、基板１の片面における積層数は無制限に多くすることはできない。そこで、図７に示したように、基板１の両面に蒸着膜を形成するようになし、しかも両面に交互に１層乃至複数層ずつ積層していくことによって、基板１への応力が作用するのを抑制できるようになり、基板１の歪みや反り等の変形を抑制することができる。そして、基板１の両面にそれぞれ蒸着膜積層ユニット１０が８ユニットとなった積層体のコンデンサが形成される。そして、最後に一側面と他側面との第１の導電膜２の端子部２ｂ同士及び第２の導電膜４の端子部４ｂ同士を電気的に接続することによって、所定の機器に組み込むことができる。

本発明の実施の一形態を示す概略構成図である。図１の分解斜視図である。導電膜を形成する際に用いられるマスク板の構成説明図である。誘電体膜を形成する際に用いられるマスク板の構成説明図である。本発明の第１の実施例におけるコンデンサの等価回路を示す図である。本発明の実施例１におけるコンデンサの導電膜と誘電体膜とを分解して示す正面図である。本発明の実施例２におけるコンデンサの導電膜と誘電体膜とを分解して示す正面図である。

符号の説明

１基板
２第１の導電膜
２ａ電極板部
２ｂ端子部
３誘電体膜
４第２の導電膜
４ａ電極板部
４ｂ端子部
５，６マスク板
１０蒸着膜積層ユニット

Claims

耐熱性に優れ、電気絶縁性を有する基板と、
真空蒸着手段によって基板上に形成され、電極板部と端子部とからなる第１の導電膜と、
前記第１の導電膜の電極板部全体を覆い、かつ前記端子部を露出させるようにして真空蒸着手段によって、この第１の導電膜上に積層される誘電体膜と、
前記誘電体膜上に真空蒸着手段により積層され、前記第１の導電膜における電極板部と短絡しないようにして対向配設される電極板部と、前記第１の導電膜に形成した端子部とは異なる位置に配置された端子部とからなる第２の導電膜と
から構成したことを特徴とするコンデンサ。
前記第２の導電膜上には、さらにこの第２の導電膜の電極板部全体を覆い、前記第１，第２の導電膜の端子部を露出させるようにして電気絶縁部材からなる保護膜を積層する構成としたことを特徴とする請求項１記載のコンデンサ。
前記第１の導電膜と、この第１の導電膜に積層される誘電体膜と、第２の導電膜と、この第２の導電膜に積層される誘電体膜とを１つの蒸着膜積層ユニットとして、前記基板上には複数の蒸着膜積層ユニットを積層するようにして形成する構成としたことを特徴とする請求項１記載のコンデンサ。
前記基板には、その両面に複数の蒸着膜積層ユニットを形成する構成としたことを特徴とする請求項３記載のコンデンサ。
前記基板の両側に形成した複数の蒸着膜積層ユニットにおける第１の端子部同士と、第２の端子部同士とを電気的に接続する構成としたことを特徴とする請求項４記載のコンデンサ。
前記基板と、前記第１の導電膜との間に、真空蒸着手段によって、下地用の誘電体膜を介装する構成としたことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のコンデンサ。
前記基板を透明部材で形成し、また前記蒸着膜積層ユニットを透明部材で形成したことを特徴とする請求項３記載のコンデンサ。
耐熱性に優れ、電気絶縁性を有する基板上に、真空蒸着手段を用いて、電極板部と端子部とを有する第１の導電膜を形成し、
この第１の導電膜上には、その電極板部全体を覆い、かつ前記端子部を露出させるようにして真空蒸着手段により誘電体膜を積層し、
さらにこの誘電体膜上に真空蒸着を行うことによって、前記第１の導電膜における電極板部と短絡しないようにして対向配設される電極板部と、前記第１の導電膜に形成した端子部とは異なる位置に配置された端子部とが形成されるようにして第２の導電膜を積層させる
ことを特徴とするコンデンサの製造方法。
前記第２の導電膜上には、その電極板部を覆い、前記第１の導電膜及び第２の導電膜の前記端子部を露出させるようにして電気絶縁部材からなる保護膜を積層させることを特徴とする請求項８記載のコンデンサの製造方法。
前記基板に下地用の誘電体膜を真空蒸着手段で形成し、
次いで順次前記第１の導電膜と、この第１の導電膜に積層される誘電体膜と、第２の導電膜と、この第２の導電膜に積層される誘電体膜とを積層させることにより１つの蒸着膜積層ユニットとなし、この蒸着膜積層ユニットを複数ユニット形成することを特徴とする請求項８記載のコンデンサの製造方法。
前記基板両面に、それぞれ下地用の誘電体膜を真空蒸着手段で形成して、
順次前記第１の導電膜と、この第１の導電膜に積層される誘電体膜と、第２の導電膜と、この第２の導電膜に積層される誘電体膜とを積層させることにより１つの蒸着膜積層ユニットとして、基板の両面にこの蒸着膜積層ユニットを順次複数ユニット形成することを特徴とするコンデンサの製造方法。
前記基板の両面に蒸着膜積層ユニットを形成するに当って、その一側面と他側面とが交互に１または複数層ずつ成膜することを特徴とする請求項１１記載のコンデンサの製造方法。