JP2007142396A

JP2007142396A - 改善した誘電特性を有するフィルムコンデンサ

Info

Publication number: JP2007142396A
Application number: JP2006302219A
Authority: JP
Inventors: Qi Tan; チ・タン; Patricia Chapman Irwin; パトリシア・チャップマン・アーウィン; Yang Cao; ヤン・カオ
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2005-11-14
Filing date: 2006-11-08
Publication date: 2007-06-07
Also published as: EP1786006A1; CN1967751A; US20100259865A1; US20070108490A1

Abstract

【課題】誘電特性を改善したフィルムコンデンサを提供する。
【解決手段】フィルムコンデンサ１０は、第１の電極１２上に配置された第１の誘電率を有する第１の誘電体層１４と、第１の誘電体層１４上に配置された第２の誘電率を有する第２の誘電体層１６とを含み、第２の誘電率は、第１の誘電率よりも少なくとも５０％大きい。フィルムコンデンサはさらに、第２の誘電体層１６上に配置された第２の電極１８を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、総括的にはコンデンサに関し、より具体的には、改善した誘電特性を有するフィルムコンデンサに関する。

過去１０年間で、製造法の進歩と新規な材料との組合せによって、コンデンサにおける大きな信頼性の拡大が達成されてきた。フィルムコンデンサは、製造法に基づいて３つの種類、すなわち箔電極フィルムコンデンサ、金属化フィルムコンデンサ及び混合型フィルムコンデンサに分類することができる。

一般的に、箔電極フィルムコンデンサは、プラスチックフィルム層によって分離された２つの金属箔電極からなる。普通使用されるプラスチックフィルムの１つは、ポリプロピレンである。一般的に、箔電極フィルムコンデンサは、２つのアルミニウム箔片を２つのプラスチックフィルム層と交互配置することによって作られる。これらの交互配置層は、金属層が互いに接触しないようにした状態でスピンドルの周りに巻かれる。箔電極フィルムコンデンサは、パワーエレクトロニクス業界で広く使用されてきた。金属化フィルムコンデンサは、アルミニウム箔がプラスチックフィルム層上に真空蒸着させた金属フィルム層で置き換えられるという意味で、箔電極フィルムコンデンサとは異なる。金属フィルム層は一般的に、極めて薄く約２００〜５００オングストロームのオーダであり、一般的にはアルミニウム又は亜鉛である。金属化コンデンサは、寸法、単純さ及び製造コストの利点を有する。混合型コンデンサは、箔電極フィルムコンデンサと金属化フィルムコンデンサとの両方の組合せである。一般的に、これらは、高電圧コンデンサである。

過去数１０年間でコンデンサにおける大きな改善がなされてきたが、一部の問題は依然として存在し、例えば、表面欠陥及び電気的ストレスにより、フィルムコンデンサの寿命の短縮が生じる可能性がある。表面欠陥は、誘電体の絶縁破壊電圧の散乱を引き起こし、コンデンサ内の様々な部位における絶縁破壊電圧を変化させて、コンデンサの全体絶縁破壊電圧の低下を招くおそれがある。フィルムコンデンサはまた、該コンデンサのアノードにおける電気的ストレスによりその寿命が制限される。この電気的ストレスは、時間周期にわたりコンデンサ内に発生する関連する劣化を引き起こす。
米国特許第５，６３６，１００号公報米国特許第５，１４４，５２３号公報米国特許第４，３２３，９４８号公報米国特許第３，０４８，７５０号公報

従って、上述の問題に対処しかつ現在の産業用途の要望を満たすことになるフィルムコンデンサを設計することが望ましいといえる。

本発明の１つの態様によると、積層フィルムコンデンサを提供する。本フィルムコンデンサは、第１の電極と、第１の電極上に配置された第１の誘電体層とを含む。本フィルムコンデンサはまた、第１の誘電体層上に配置された第２の誘電体層を含み、第２の誘電体層の誘電率は、第１の誘電体層の誘電率よりも少なくとも５０％大きい。本フィルムコンデンサはさらに、第２の誘電体層上に配置された第２の電極を含む。

本発明のこれらの及びその他の特徴、態様及び利点は、図面全体を通じて同じ符号が同様な部分を表している添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読むことにより、一層良く理解されるようになるであろう。

以下に詳細に説明するように、本発明の実施形態は、改善した誘電特性を有するフィルムコンデンサを提供する。本明細書で考察した誘電特性の幾つかは、誘電率、絶縁破壊電圧及び損失係数である。誘電体の「誘電率」は、その中で電極間及び電極の周りの空間が誘電体で満たされたコンデンサの静電容量の、同一の電極構成の真空における静電容量に対する比率である。本明細書で使用する場合、「絶縁破壊電圧」は、印加したＡＣ又はＤＣ電圧下での材料の絶縁破壊耐性の測定値を意味する。絶縁破壊直前の印加電圧を誘電体の厚さで除算して、絶縁破壊電圧が得られる。絶縁破壊電圧は、ｋＶ／ｍｍで測定される。理想的な誘電体では、電圧波と電流波とは、位相が９０度異なる。実際の誘電体では、誘電体が１００％未満の効率となるので、電流波は、電圧に正比例して遅れ始める。このことにより、誘電体内に比例電力損失が生じる。電流波が電圧と位相が９０度異なることから偏移する程度は、誘電損失角として定義される。この損失角の正接が、損失係数又は散逸率として知られている。

典型的なフィルムコンデンサは、２つの電極間でいずれかの側面上に置かれたポリマーフィルムを含む。ポリマーフィルムは、フィルムコンデンサ内で誘電体として作用する。本発明の１つの実施形態では、本明細書で開示したフィルムコンデンサは、その上に第１の誘電体層が配置された第１の電極を含む。本フィルムコンデンサはまた、第１の電極と対向して第１の誘電体層上に配置された第２の誘電体層を含み、第２の誘電体層は、第１の誘電体層の誘電率よりも少なくとも５０％大きい誘電率を有する。さらに、本フィルムコンデンサは、第２の誘電体層上に配置された第２の電極を含む。本発明の別の実施形態では、フィルムコンデンサは、第２の誘電体層と第２の電極との間に置かれた金属化フィルムを含む。

図１に示す本発明の例示した実施形態では、フィルムコンデンサ１０の断面図を示す。フィルムコンデンサ１０は、その上に第１の誘電率を有する第１の誘電体層１４が配置された例えばカソードのような第１の電極１２を含む。第１の誘電率よりも少なくとも５０％大きい第２の誘電率を有する第２の誘電体層１６が、第１の誘電体層１４上に配置される。例えばアノードのような第２の電極１８がさらに、第２の誘電層１６上に配置される。

電気的ストレスによるフィルムコンデンサの劣化は、フィルムコンデンサのアノードにおいてかなり頻繁に発生することが知られている。それぞれのフィルムコンデンサの寿命は、第２の電極１８の下方に配置されかつ第１の誘電体層１４よりも遥かに大きい誘電率を有する第２の誘電体層１６を付加することによって、増大させることができる。非限定的な実施例では、第２の誘電体層１６の第２の誘電率は、第１の誘電体層１４の第１の誘電率よりも約５０％〜７０％大きい。別の非限定的な実施例では、第２の誘電体層１６の第２の誘電率は、第１の誘電体層１４の第１の誘電率よりも約７５％〜１００％大きい。第２の誘電体層１６は、より大きい電圧傾斜が第２の電極１８ではなく第１の電極１２において発生するようにする。このことにより、第２の電極１８上の電圧負荷が減少するので、フィルムコンデンサの全体電圧耐久性が改善される。このことはさらに、絶縁破壊電圧の増大をもたらす。従って、このことにより、第２の電極１８（アノード）での電気的ストレスを低下させ、それによってフィルムコンデンサの劣化を軽減するための手段が得られる。その結果、フィルムコンデンサの寿命が、高められる。

電極１２、１８は一般的に、金属箔を含む。１つの実施形態では、電極１２、１８は、アルミニウム、銅又は亜鉛箔の少なくとも１つを含む。第１の誘電体層１４は一般的に、有機ポリマー、無機材料又はポリマーフィルムを含む。無機材料の非限定的な実施例は、窒化ホウ素（ＢＮ）、雲母、紙、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）又は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）である。ポリマーフィルムの幾つかの非限定的な実施例には、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエステル（ＰＥＴ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、フルオレニルポレスター（ＦＰＥ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）、フッ化ポリビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリイミド、ポリイミド−イミド、テフロン（商標）（ポリテトラフルオロエチレン）（ＰＴＦＥ）、フッ化ポリビニリデン（ＰＶＤＦ−ＴｒＦＥ）、Ｕｌｔｅｍ（商標）（ポリエーテルイミド）及びそれらの組合せが含まれる。第２の誘電体層１６は、有機ポリマー、無機材料又は高分子複合材フィルムを含むことができる。無機材料の非限定的な実施例は、窒化ホウ素（ＢＮ）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、シリカ（ＳｉＯ_２）、チタニア（ＴｉＯ_２）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）及び窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）である。第２の誘電体層として使用するポリマーフィルムの幾つかの非限定的な実施例には、ポリエチレンフタレート（ＰＥＴ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、フッ化ポリビニリデン（ＰＶＤＦ）が含まれる。無機材料又はポリマーを含む高分子複合材の幾つかの非限定的な実施例は、ＢＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、五酸化ニオブ（Ｎｂ_２Ｏ_５）、五酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）及びそれらの組合せを含む、Ｕｌｔｅｍ（商標）ポリエーテルイミド、ＰＰ、ＰＥＴ、ＰＶＤＦ、ＦＰＥ、ＰＥＥＫ、ＰＥＳ、ＰＣ又はＰＰＳとすることができる。非限定的な実施例では、第２の誘電体層の厚さは、約０．３ミクロン〜約５ミクロンの範囲内にある。第１の誘電率の非限定的な実施例は、少なくとも約２である。非限定的な実施例では、第２の誘電率は、３〜１００の範囲内にある。

本発明の例示的な実施形態では、第１の誘電体層１４は、２００ボルト（Ｖ）〜８００Ｖの範囲内の絶縁破壊電圧を有し、一方、第２の誘電体層１６は、５０Ｖ〜７００Ｖの範囲内の絶縁破壊電圧を有する。非限定的な実施例では、第１の誘電体層１４は、０．０００２〜０．０２の範囲内の損失係数を有し、一方、第２の誘電体層１６は、０．００３〜０．０３の範囲内の損失係数を有する。

図２に示す本発明の別の例示した実施形態では、フィルムコンデンサ２０を示す。本発明のこの実施形態では、第３の誘電体層２２が、第１の電極１２と第１の誘電体層１４との間に置かれる。第２の誘電体層１６は、第１の誘電体層１４上に配置される。誘電体層１６及び２２の誘電率は、誘電体層１４の誘電率よりも少なくとも５０％高い。非限定的な実施例では、誘電体層１６の第２の誘電率は、第１の誘電体層１４の第１の誘電率よりも約５０％〜７５％大きく、一方、誘電体層２２の第３の誘電率は、第１の誘電体層１４の第１の誘電率よりも約７５％〜１００％大きい。別の非限定的な実施例では、誘電体層１６の第２の誘電率は、第１の誘電体層１４の第１の誘電率よりも約７５％〜１００％大きく、一方、誘電体層２２の第３の誘電率は、第１の誘電体層１４の第１の誘電率よりも約５０％〜７５％大きい。さらに、別の非限定的な実施例では、誘電体層１６の第２の誘電率及び誘電体層２２の第３の誘電率の両方は、第１の誘電体層１４の第１の誘電率よりも約５０％〜約７５％大きい。別の非限定的な実施例では、誘電体層１６の第２の誘電率及び誘電体層２２の第３の誘電率の両方は、第１の誘電体層１４の第１の誘電率よりも約７５％〜約１００％大きい。

図３に示す本発明のさらに別の実施形態では、フィルムコンデンサ３０を示す。本発明のこの実施形態では、金属の皮膜３２が、誘電体層１６の上に真空蒸着され、誘電体層１６と第２の電極１８との間に置かれる。フィルムコンデンサ３０はまた、第１の電極１２と第２の誘電体層１６との間に置かれた第１の誘電体層１４を含む。金属皮膜の非限定的な実施例には、蒸着させたアルミニウムの皮膜が含まれる。誘電体層１６は、第１の誘電体層１４の第１の誘電率よりも少なくとも５０％高い第２の誘電率を有する。

上述の実施形態は、フィルムコンデンサに対して誘電率の増大、絶縁破壊電圧の増大、表面欠陥の減少及び寿命の延長のような幾つかの非限定的な利点をもたらす。皮膜又は積層材料に応じて、そのより高い耐コロナ性及び電荷捕捉能力により、ベースポリマーがより高い電圧及びパルス電力下で作動するのを可能にすることができた。Ａｌ_２Ｏ_３又はＢＮのような特定のナノ粒子を含むポリマーが、さらに高い絶縁破壊強度及び誘電率を示すことが判明した。粒子充填ポリマーによりまた、高い熱伝導性を得ることができた。Ｕｌｔｅｍ（商標）のより高いガラス転移温度もまた、コンデンサのより高い実用温度を可能にする。前に説明した表面欠陥は，誘電体内での絶縁破壊電圧の散乱を引き起こして、コンデンサ内の様々な部位における絶縁破壊電圧の変化をもたらす。従って、上述の実施形態のケースにおけるようにそのような表面欠陥が減少した場合には、より狭い絶縁破壊電圧範囲が得られる。

本発明の誘電性材料は、幾つかの方法で被覆させることができる。それらの方法には、スピンコーティング、浸漬コーティング、ブラシペインティング、溶媒キャスティング、化学蒸着、及び第２のポリマー又は高分子複合材のより薄い層の積層が含まれる。非限定的な実施例では、第１の誘電体層の表面を塵埃及び汚染物質を除去するように清浄化して、被覆誘電体フィルムがベース誘電体フィルムに付着するのを可能にする。清浄化の非限定的な実施例には、ウェット又は化学クリーニング、プラズマクリーニング或いはそれらのあらゆる組合せが含まれる。被覆誘電体フィルムとベース誘電体フィルムとの間の接合面における空隙及び欠陥は絶縁破壊電圧を低下させるおそれがあるので、ベース誘電体フィルムに対して被覆誘電体材料を密着させることが望ましい。本発明の１つの実施形態では、使用する被覆材料は、ベース誘電体フィルムの誘電率よりも少なくとも５０％大きい誘電率を有する。幾つかの実施形態では、被覆材料には、有機ポリマー或いは無機材料又はポリマーが含まれる。被覆方法の非限定的な実施例には、溶液による被覆、化学蒸着を使用した被覆、プラズマポリマー重合又は物理的スパッタリング法が含まれる。

実施例
以下の実施例は、単なる例示であって、本特許請求した発明の技術的範囲に対する何らかの種類の限定であると解釈してはならない。

図４は、非被覆ポリマーフィルムＵｌｔｅｍ（商標）ポリエーテルイミドの平均絶縁破壊電圧（全体を参照番号４８で示す）と窒化ホウ素充填Ｕｌｔｅｍ（商標）ポリエーテルイミド被覆Ｕｌｔｅｍ（商標）ポリエーテルイミドフィルムの平均絶縁破壊電圧（全体を参照番号５２で示す）との統計的ｔ−検査法を用いたグラフ比較４０である。別の統計的ツールを使用することもできる。Ｘ軸４２は、非被覆Ｕｌｔｅｍ（商標）ポリエーテルイミド４３と窒化ホウ素充填Ｕｌｔｅｍ（商標）ポリエーテルイミド被覆Ｕｌｔｅｍ（商標）ポリエーテルイミドフィルム４５との処理を表す。Ｙ軸４４は、絶縁破壊電圧を表す。ボックスプロット４６は、非被覆Ｕｌｔｅｍ（商標）ポリエーテルイミドのケースでの絶縁破壊電圧範囲を表し、またボックスプロット５０は、窒化ホウ素充填Ｕｌｔｅｍ（商標）ポリエーテルイミド被覆Ｕｌｔｅｍ（商標）ポリエーテルイミドフィルムのケースでの絶縁破壊電圧範囲を表す。観察によって認識できるように、非被覆Ｕｌｔｅｍ（商標）ポリエーテルイミドのケースと比較して、被覆Ｕｌｔｅｍ（商標）ポリエーテルイミドのケースでは、絶縁破壊電圧の範囲がより狭くなっている。このことは、ポリマーフィルム上に皮膜を付加することにより、フィルムの表面上の欠陥が減少し、そのことにより次に、様々な部位における絶縁破壊電圧の散乱が減少していることを示している。

図５は、窒化ホウ素の重量パーセントの関数としての窒化ホウ素充填Ｕｌｔｅｍ（商標）ポリエーテルイミドフィルムの誘電率及び損失係数のグラフ表示６０である。Ｘ軸６２は、窒化ホウ素の重量％を表す。Ｙ軸６４及び６６は、それぞれ誘電率及び損失係数を表す。プロット６８で分かるように、最大１重量％までの窒化ホウ素の添加につれて誘電率が３．２５から３．７まで増大し、その後最大１０重量％までの窒化ホウ素の添加につれて誘電率は一定値に近づく。プロット７０で分かるように、窒化ホウ素の最大３重量％までは損失係数は増加傾向にあるようであり、その後最大１０重量％までは損失係数は減少するようである。従って、積層フィルムコンデンサの性能を強化するためにはＵｌｔｅｍ（商標）ポリエーテルイミド又はその他のポリマー内に約１％〜５％の窒化ホウ素を添加することが望ましいと、推断することができる。

本明細書では本発明の一部の特徴のみを示しかつ説明してきたが、当業者は、多くの修正及び変更に想到するであろう。従って、提出した特許請求の範囲は、全てのそのような修正及び変更を本発明の技術的範囲内に属するものとして保護しようとするものであることを理解されたい。また、図面の符号に対応する特許請求の範囲中の符号は、単に本願発明の理解をより容易にするために用いられているものであり、本願発明の範囲を狭める意図で用いられたものではない。そして、本願の特許請求の範囲に記載した事項は、明細書に組み込まれ、明細書の記載事項の一部となる。

本発明の１つの実施形態による、第１の誘電体層上に配置された第２の誘電体層の皮膜を有する積層フィルムコンデンサの断面図。本発明の１つの実施形態による、第２の誘電体層及び第３の誘電体層の皮膜間に置かれた第１の誘電体層を有する積層フィルムコンデンサの断面図。本発明の１つの実施形態による、ベース誘電体層上に金属化誘電体層皮膜を図示した積層フィルムコンデンサの断面図。非被覆Ｕｌｔｅｍ（商標）ポリエーテルイミドと窒化ホウ素充填Ｕｌｔｅｍ（商標）ポリエーテルイミド被覆Ｕｌｔｅｍ（商標）ポリエーテルイミドフィルムとの絶縁破壊電圧を示すボックスプロット表示。Ｕｌｔｅｍ（商標）ポリエーテルイミド上の窒化ホウ素皮膜の重量パーセントの関数として誘電率及び損失係数を示すプロット表示。

符号の説明

１０フィルムコンデンサ
１２第１の電極
１４第１の誘電体層
１６第２の誘電体層
１８第２の電極
２０フィルムコンデンサ
２２第３の誘電体層
３０フィルムコンデンサ
３２金属真空蒸着皮膜
４０グラフ比較
４２異なる処理を表すＸ軸
４３非被覆ＵＬＴＥＭ
４４絶縁破壊電圧を表すＹ軸
４５被覆ＵＬＴＥＭ
４６非被覆ＵＬＴＥＭの絶縁破壊電圧範囲のボックスプロット
４８非被覆ＵＬＴＥＭの平均絶縁破壊電圧
５０窒化ホウ素被覆ＵＬＴＥＭの絶縁破壊電圧範囲のボックスプロット
５２窒化ホウ素被覆ＵＬＴＥＭの平均絶縁破壊電圧
６０窒化ホウ素の重量パーセントに対する誘電率及び損失係数のグラフ表示
６２窒化ホウ素の重量％を表すＸ軸
６４誘電率を表すＹ軸
６６損失係数を表すＹ軸
６８誘電率のプロット表示
７０損失係数のプロット表示

Claims

第１の電極（１２）と、
前記第１の電極（１２）上に配置されかつ第１の誘電率を有する第１の誘電体層（１４）と、
前記第１の電極（１２）と対向して前記第１の誘電体層（１４）上に配置されかつ前記第１の誘電率よりも少なくとも５０％大きい第２の誘電率を有する第２の誘電体層（１６）と、
前記第１の誘電体層（１４）と対向して前記第２の誘電体層上に配置された第２の電極（１８）と、
を含むコンデンサ（１０）。
前記第２の誘電体層（１６）が、前記第１の誘電率よりも５０％〜７５％大きい第２の誘電率を有する、請求項１記載のコンデンサ（１０）。
前記第２の誘電体層（１６）が、前記第１の誘電率よりも７５％〜１００％大きい第２の誘電率を有する、請求項１記載のコンデンサ（１０）。
前記第１の誘電体層が、有機ポリマー又は無機材料を含む、請求項１記載のコンデンサ（１０）。
前記第１の誘電体層（１４）が、１００°ケルビン〜３００°ケルビンの範囲内の実用温度を有する、請求項１記載のコンデンサ（１０）。
前記第２の誘電体層（１６）が、１００°ケルビン〜３００°ケルビンの範囲内の実用温度を有する、請求項１記載のコンデンサ（１０）。
前記第１の誘電体層（１４）が、２００ボルト〜８００ボルトの範囲内の絶縁破壊電圧を有する、請求項１記載のコンデンサ（１０）。
前記第２の誘電体層（１６）が、５０ボルト〜７００ボルトの範囲内の絶縁破壊電圧を有する、請求項１記載のコンデンサ（１０）。
前記第２の誘電体層（１６）と前記第２の電極（１８）との間に置かれた金属化フィルム（３２）をさらに含む、請求項１記載のコンデンサ（１０）。
前記第１の電極（１２）と前記第１の誘電体層（１４）との間に置かれた第３の誘電体層（２２）をさらに含み、前記第３の誘電体層（２２）が、前記第１の誘電率よりも少なくとも５０％大きい第３の誘電率を有する、請求項１記載のコンデンサ（１０）。