JP2012232435A - 誘電体フィルムおよびこれを用いたコンデンサ - Google Patents

Abstract

【課題】 絶縁耐力の高い誘電体フィルムとこれを用いたフィルムコンデンサを提供する。
【解決手段】 第１の樹脂フィルム１１を基材とする第１の誘電体層１０と、該第１の誘電体層１０上に設けられ、第２の樹脂フィルム２１中に、該第２の樹脂フィルム２１よりも比誘電率の低いセラミック粒子２３を含む第２の誘電体層２０とを有する。誘電体フィルムが、第１電極３１と、第２電極３３との間に配置されており、前記第１電極３１および第２電極３３にそれぞれ外部端子３５、３７が接合されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高い誘電率と耐電圧性の両電気特性を満足する誘電体フィルムとこれを用いたコンデンサに関する。

誘電体が２枚の電極板によって挟持された構成を有するコンデンサは、直流の電荷を蓄電し、充放電できる機能や交流（高周波）の電流を流し、両端電圧を一定に維持するという機能を有しており、従来より、ノイズ除去、デカンプリング、カップリング、電圧の平滑化等、用途に応じて多くの電気製品に適用されている。

コンデンサとしては、容量あたりのサイズの小さい積層型セラミックコンデンサ、静電容量当たりの体積が小さく安価なアルミ電解コンデンサ、温度特性に優れ、大容量化が可能なタンタルコンデンサおよび耐電圧範囲が広く、誘電損失が小さいフィルムコンデンサが知られている・
この中で、フィルムコンデンサは、許容電流が大きくかつ自己修復機能を有するという利点から、近年、電磁障害防止用コンデンサとして注目されている。

フィルムコンデンサは、可とう性を有する樹脂フィルムを挟んで互いに対向する第１および第２の対向電極となる金属膜が樹脂フィルムの両主面上に形成されており、この樹脂フィルムと第１および第２の対向電極とが積層された状態で巻回され、通常、円柱状の形態をなしており、この円柱の互いに対向する第１および第２の端面上には、それぞれ、第１および第２の外部端子電極が形成されている。ここで、第１の対向電極は第１の外部端子電極と電気的に接続され、第２の対向電極は第２の外部端子電極と電気的に接続されている。

近年、フィルムコンデンサにおいては、小型化や高機能化の流れに伴って、樹脂フィルムの誘電率を高くすることが要求されており、樹脂フィルムの誘電率を高める方法として、高誘電率のセラミック粒子を混合する方法が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２００６−２２５４８４号公報

しかしながら、樹脂フィルム中にセラミック粒子を含ませた複合材料は、誘電率を高めることができる反面、樹脂のみの場合に比べて絶縁耐力を低下させるという課題がある。これは樹脂フィルム中にセラミック粒子を含有させると、セラミック粒子の誘電率が樹脂フィルムの誘電率に比較して高いために、印加された電界が誘電率の高いセラミック粒子の方に集中しやすくなることによる。

従って、本発明は、絶縁耐力の高い誘電体フィルムとこれを用いたコンデンサを提供することを目的とする。

本発明の誘電体フィルムは、第１の樹脂フィルムを基材とする第１の誘電体層と、該第
１の誘電体層上に設けられ、第２の樹脂フィルム中に、該第２の樹脂フィルムよりも比誘電率の低いセラミック粒子を含む第２の誘電体層とを有することを特徴とする。

上記誘電体フィルムでは、前記セラミック粒子がシリカガラスであることが望ましい。

上記誘電体フィルムでは、前記セラミック粒子が中空粒子であることが望ましい。

上記誘電体フィルムでは、前記セラミック粒子の表面にフッ素化合物が被覆されていることが望ましい。

上記誘電体フィルムでは、前記第１の樹脂フィルム中に、該第１の樹脂フィルムよりも比粒電率の高い高誘電率粒子を有することが望ましい。

本発明のコンデンサは、上記の誘電体フィルムが、第１電極と、第２電極との間に配置されており、前記第１電極および第２電極にそれぞれ外部端子が接合されていることを特徴とする。

本発明によれば、絶縁耐力の高い誘電体フィルムとこれを用いたコンデンサを得ることができる。

本発明の誘電体フィルムの一実施形態を示す概略縦断面図である。 本発明の誘電体フィルムの他の実施形態を示す概略縦断面図である。 図２の誘電体フィルム内における電気力線を示す拡大断面図である。 本発明のコンデンサの一実施形態を示す概略縦断面図である。

図１は、本発明の誘電体フィルムの一実施形態を示す概略縦断面図である。図２は、本発明の誘電体フィルムの他の実施形態を示す概略縦断面図である。図３は、図２の誘電体フィルム内における電気力線を示す拡大断面図である。図４は、本発明のコンデンサの一実施形態を示す概略縦断面図である。

本実施形態の誘電体フィルムＡは、図１に示すように、第１の樹脂フィルム１１を基材とする第１の誘電体層１０と、第２の樹脂フィルム２１中に、該第２の樹脂フィルム２１よりも比誘電率の低いセラミック粒子２３を含む第２の誘電体層２０とを有している。

本実施形態の誘電体フィルムＡによれば、２層積層された樹脂フィルム１１、２１のうちの１層の樹脂フィルム２１中に、この樹脂フィルム２１よりも比誘電率（空気の比誘電率を１とした場合の値として）の低いセラミック粒子２３を含有させているために、誘電体フィルムＡに電圧を印加した場合に、第１の誘電体層１０を通過してきた電界が下層側の第２の誘電体層２０を構成する樹脂フィルム２１の内部において、電界（電束）がセラミック粒子２３に集中せず迂回するようになることから、電界（電束）が分散されやすくなり、これにより第２の誘電体層２０を全面にわたって高絶縁性にできる。その結果、誘電体フィルムＡの絶縁耐力を高めることができる。

この場合、セラミック粒子２３はシリカガラスであることが望ましい。シリカガラス（比誘電率（２５℃）：３．７２）は樹脂フィルムに比較して比誘電率が低いからである。

また、セラミック粒子２３が中空粒子であることが望ましい。中空粒子はその内部の空
間に比誘電率が１の空気の層を含んでいることからセラミック粒子２３の比誘電率をさらに低下させることができる。

さらに、セラミック粒子２３は、その周囲にフッ素化合物が被覆されていることが望ましい。セラミック粒子２３は、通常、その表面がイオン化しており、電荷が蓄えられた状態となっていることから、わずかな分極が起こっているが、セラミック粒子２３の表面にフッ素化合物を被覆することによりセラミック粒子２３の表面の分極を低減でき、これによりセラミック粒子２３の比誘電率をさらに低下させることができる。

このように、セラミック粒子２３を上記した構成（シリカガラス、中空粒子および表面にフッ素化合物を被覆したもの）、さらにはこれらを組み合わせることにより、セラミック粒子２３を低誘電率化できることから、第２の誘電体層２０における電界（電束）４の集中をさらに緩和することができ、これにより第２の誘電体層２０の絶縁性をさらに高めることができる。

また、本実施形態の誘電体フィルムＡでは、図２に示すように、第１の誘電体層１０を構成する第１の樹脂フィルム１１中に、第１の樹脂フィルム１１よりも比粒電率の高い高誘電率粒子２５を含有させても構わない。

低誘電率のセラミック粒子２３を含有している第２の誘電体層２０に積層された第１の誘電体層１０側に、第１の樹脂フィルム１１よりも比誘電率の高い高誘電率粒子２５を含有させることにより、第１の誘電体層１０の層を高誘電率化することができ、これにより本実施形態の誘電体フィルムＡの比誘電率を相対的に高めることができる。

また、図３に示すように、第２の誘電体層２０側に低誘電率のセラミック粒子２３を分散させているために、第１の誘電体層１０に高誘電率粒子２５が存在していることに起因して、誘電体フィルムＡに電圧を印加した場合に、高誘電率粒子２５に電界（電束）４が集中しても、この第１の誘電体層１０に積層された第２の誘電体層２０側において、電界（電束）４が分散されることから、誘電体フィルムＡは厚み方向に対して、依然として、高い絶縁性を保つことができ、これにより高い絶縁耐力を維持することが可能となる。

本実施形態の誘電体フィルムＡを構成する第１および第２の樹脂フィルム１１、２１の材料としては、ポリビニルブチラール樹脂（比粒電率（２５℃）：４．２）、ポリビニルアセトアセタール樹脂（比誘電率（２５℃）：４．２）およびビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（比誘電率（２５℃）：６．０）のうちのいずれかの樹脂を用いることが望ましく、この場合、第１の樹脂フィルム１１と第２の樹脂フィルム２１は、同じ材料を用いても良く、また、含まれるセラミック粒子２３や高誘電率粒子２５との親和性に応じて各層異なる樹脂フィルムの材料を適宜選択してもよい。

高誘電体粒子２５としては、ペロブスカイト型の結晶構造を有するセラミック複合材料が好適であり、とりわけ、チタン酸バリウム（比誘電率（２５℃）：１０００〜３０００）またはチタン酸ストロンチウム（比誘電率（２５℃）：２００〜３５０）が望ましい。

第１の樹脂フォルム１１中に含まれるセラミック粒子２３または第２の樹脂フォルム２１中に含まれる高誘電率粒子２５の含有量は、１０〜７０体積％であることが望ましい。第１の誘電体層１０においては、より高誘電率化を図れるという理由から、また、第２の誘電体層２０においては、より低誘電率化と高絶縁性という理由から、いずれもこれらの粒子の含有量は多い方が好ましいが、誘電体フィルムＡを形成するための接着性を維持し、また、可とう性を有し、第１および第２の樹脂フィルム１１、２１を第１電極３１および第２電極３３に重ねて巻回した状態にできるという理由から上記範囲がよい。

また、セラミック粒子２３の表面に被覆するフッ素化合物としては、化合物中の官能基間において電気陰性度が低く、低い極性を有するという理由から、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）やその誘導体が好ましい。

本実施形態のコンデンサは、図４に示すように、上述した誘電体フィルムＡが、第１、第２の電極３１、３３間に配置され、第１の電極３１、誘電体フィルムＡおよび第２の電極３３がこの順に積層されており、第１、第２の電極３１、３３にそれぞれ外部端子３５、３７が接合されている。これにより絶縁耐力の高いコンデンサを得ることができる。

第１、第２の電極３１、３３の材料としては、アルミニウム、銅、ニッケル、錫、亜鉛の群から選ばれる少なくとも１種の金属が好適であり、曲げても折れにくく、酸化し難いという理由から、アルミニウムが好ましい。

なお、このコンデンサは外部端子３５、３７の他の部品との接続部を除いて熱硬化性樹脂などの樹脂により被覆されていてもよく、これにより耐湿性や機械的衝撃等に対する耐性を高めることができる。

次に、本実施形態の誘電体フィルムＡの製造方法について説明する。

まず、樹脂フィルム１１、２１を構成する樹脂材料として、ポリビニルブチラール樹脂、ポリビニルアセトアセタール樹脂、ポリイソシアネート樹脂およびビスフェノールＡ型エポキシ樹脂のうちのいずれかの樹脂を準備する。

次に、これらの樹脂を、トルエン及びエタノールを重量比で１：１の割合で混合した混合溶媒に溶解させて、ポリピニルブチラール樹脂を含むビヒクルを作製する。

また、セラミック粒子２３として、平均粒径が０．０３〜０．５μｍのシリカガラス粒子および中空状のシリカガラス粒子を準備する。

高誘電率粒子２５として、平均粒径が０．０３〜０．５μｍのチタン酸バリウム粒子およびチタン酸ストロンチウム粒子を準備する。

なお、これらセラミック粒子２３の表面はポリテトラフルオロエチレン等により被覆処理していてもよい。

次に、第１の誘電体層１０および第２の誘電体層２０をそれぞれ作製する。第１の誘電体層１０を作製する場合には、高誘電率粒子２５と、例えば、ポリビニルブチラール樹脂などの樹脂を含むビヒクルとをボールミルを用いて混合し、スラリーを調製する。

一方、第２の誘電体層２０を作製する場合には、高誘電率粒子２５をセラミック粒子２３に変えて同様にスラリーを調製する。

次に、調製したスラリーをドクターブレード法などのシート成形法によりシート状に成形し、厚みが１〜３０μｍの未硬化のシートを作製する。

この後、セラミック粒子２３を含む未硬化のシートと高誘電率粒子２５を含む未硬化のシートとを温度７０〜２００℃、圧力１〜１００ＭＰａの条件で積層圧着させて、セラミック粒子２３を含む第１の誘電体層１０および高誘電率粒子２５を含む第２の誘電体層２０を有する誘電体フィルムＡを作製する。

次に、本実施形態のコンデンサの製造方法について説明する。この場合、作製した誘電体フィルムＡの表裏の両主面に、アルミニウム、銅、ニッケル、錫、亜鉛の群から選ばれる少なくとも１種の金属膜を蒸着して、第１、第２の電極３１、３３を形成して、本実施形態のコンデンサを得る。

まず、樹脂フィルムを構成する樹脂材料として、ポリビニルブチラール樹脂を準備し、これにトルエン及びエタノールを重量比で１：１の割合で混合した混合溶媒に溶解させて、ポリピニルブチラール樹脂を含むビヒクルを作製した。

次に、調製したビヒクルと表１に示すセラミック粒子または高誘電率粒子とをボールミルを用いて混合してスラリを調製した。このときセラミック粒子および高誘電率粒子は平均粒径が０．１μｍのものを用いた。また、樹脂フィルム中に含まれるセラミック粒子および高誘電率粒子の含有量は、いずれも約３０体積％となるようにした。このとき、セラミック粒子としては、市販のシリカガラスおよび中空のシリカガラスを用い、また、その表面をポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）により被覆処理したものも用いた。

次に、調製したスラリーをドクターブレード法などのシート成形法によりシート状に成形して厚みが１４μｍの未硬化のシートを作製した。

この後、未硬化のシートを温度８０℃、圧力１０ＭＰａの条件で表１の組合せにて積層圧着させて、第１の誘電体層およびセラミック粒子を含む第２の誘電体層との積層体を作製した。得られた第１の誘電体層および第２の誘電体層の厚みは、いずれも１０μｍであった。

次に、作製した積層体の表裏の両主面に、アルミニウムを蒸着して、第１、第２の電極となる金属膜を形成してコンデンサを得た。

比誘電率は、ＬＣＲメータ（４２８４Ａ：アジレント製）を用いて、測定周波数：２０ｋＨｚ、及び測定電圧：１Ｖの条件にて測定し、また、絶縁耐力については、絶縁破壊電圧を絶縁抵抗計を用いて測定した。これらの評価はいずれも室温（２５℃）にて行った。試料数を１０個とし平均値を求めた。

表１の結果から明らかなように、第１の誘電体層が高誘電率粒子を含まず、第２の誘電
体層が樹脂フィルムより比誘電率の低いセラミック粒子を含んでいない試料Ｎｏ．９および第１の誘電体層は高誘電率粒子を含んでいるが、第２の誘電体層が樹脂フィルムより比誘電率の低いセラミック粒子を含んでいない試料Ｎｏ．１０は、いずれも絶縁破壊電圧が３３０Ｖ／μｍ以下であった。

これに対して、第２の誘電体層にセラミック粒子としてシリカガラス、中空のシリカガラスを含ませた試料Ｎｏ．１〜８は、絶縁破壊電圧が３５１Ｖ／μｍ以上であった。

１０・・・・・・第１の誘電体層
１１・・・・・・第１の樹脂フィルム
２０・・・・・・第２の誘電体層
２１・・・・・・第２の樹脂フィルム
２３・・・・・・セラミック粒子
４・・・・・・電界（電束）
２５・・・・・・高誘電率粒子
３１・・・・・第１の電極
３３・・・・・第２の電極
３５、３７・・外部端子

Claims (6)

1. 第１の樹脂フィルムを基材とする第１の誘電体層と、該第１の誘電体層上に設けられ、第２の樹脂フィルム中に、該第２の樹脂フィルムよりも比誘電率の低いセラミック粒子を含む第２の誘電体層とを有することを特徴とする誘電体フィルム。
2. 前記セラミック粒子がシリカガラスであることを特徴とする請求項１に記載の誘電体フィルム。
3. 前記セラミック粒子が中空粒子であることを特徴とする請求項１または２に記載の誘電体フィルム。
4. 前記セラミック粒子の表面にフッ素化合物が被覆されていることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれかに記載の誘電体フィルム。
5. 前記第１の樹脂フィルム中に、該第１の樹脂フィルムよりも比粒電率の高い高誘電率粒子を有することを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれかに記載の誘電体フィルム。
6. 請求項１乃至５のうちいずれか記載の誘電体フィルムが、第１電極と、第２電極との間に配置されており、前記第１電極および第２電極にそれぞれ外部端子が接合されていることを特徴とするコンデンサ。
   

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