JP2015103700A - フィルムコンデンサ - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁破壊電圧が高いフィルムコンデンサを提供する。【解決手段】無機化合物粒子２ａと樹脂３とを含む誘電体フィルム１が第２の主面１Ｂに設けられた電極層４を介して複数積層された積層体と、積層体の一対の側面に設けられた一対の外部電極７と、を備え、一対の外部電極７が、一対の側面に露出した電極層４とそれぞれ電気的に接続されたフィルムコンデンサであって、誘電体フィルム１の第１の主面１Ａが、樹脂３からなる第１の樹脂面３Ａと、無機化合物粒子２ａを含み第１の樹脂面３Ａから突出した突出部２と、を有し、第１の主面１Ａに対向する電極層４の第１の電極表面４Ａが、突出部２と接するとともに、第１の電極表面４Ａと第１の樹脂面３Ａとの間に、第１の電極表面４Ａと第１の樹脂面３Ａとの間隔の平均値が１０００ｎｍ以下である空隙５を有し、空隙５に絶縁性の気体が存在する。【選択図】図１

Description

本発明は、フィルムコンデンサに関する。

フィルムコンデンサは、例えば、ポリプロピレン樹脂をフィルム化した誘電体フィルムの表面に蒸着によって形成された金属膜を電極として有している。このような構成により、誘電体フィルムの絶縁欠陥部で短絡が生じた場合にも、短絡のエネルギーで欠陥部周辺の金属膜が蒸発、飛散して絶縁化し、フィルムコンデンサの絶縁破壊を防止できるという利点を有している。これを自己回復機能と呼ぶ。

このため、フィルムコンデンサは電気回路が短絡した際の発火や感電を防止することができるという点が注目され、近年、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）照明等の電源回路への適用を始め、用途が拡大しつつある（例えば、特許文献１を参照）。

また、特許文献２では、コンデンサ素子および外部電極内部に耐電圧上昇作用を有するガスを封入することにより、コンデンサが長時間使用され、自己回復を繰り返し続けた後の終局破壊時においても、誘電体フィルムが分解して発生する可燃性ガスによるコンデンサ素子の発火・焼損する危険を防止できることが示されている。

特開２０１０−１７８５７１号公報 特開２００２−２８９４６０号公報

しかしながら、特許文献２に示されたフィルムコンデンサは、金属化フィルムを積層巻回後、外部電極を形成する際にガスを封入したものであり、短絡が起こる可能性が比較的高い密着したフィルム間にガスを封入することはできないため、発火・焼損の防止には未だ不充分であった。

本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、絶縁破壊電圧を高め、終局破壊時における発火・焼損の可能性をより低減できるフィルムコンデンサを提供することを目的とする。

本発明のフィルムコンデンサは、絶縁性の無機化合物粒子と樹脂とを含む誘電体フィルムが電極層を介して複数積層された積層体と、該積層体の一対の側面に設けられた一対の外部電極と、を備え、一対の該外部電極が、一対の前記側面に露出した前記電極層とそれぞれ電気的に接続されたフィルムコンデンサであって、前記誘電体フィルムの第１の主面が、樹脂からなる第１の樹脂面と、該第１の樹脂面から前記無機化合物粒子が突出した突出部と、を有し、前記電極層が前記誘電体フィルムの第２の主面に設けられており、前記第１の主面に対向する前記電極層の第１の電極表面が、前記突出部と接するとともに、前記第１の電極表面と前記第１の樹脂面との間に、前記第１の電極表面と前記第１の樹脂面との間隔の平均値が１０００ｎｍ以下である空隙を有し、該空隙に絶縁性の気体が存在することを特徴とする。

本発明によれば、絶縁破壊電圧を高め、終局破壊時における発火・焼損の可能性をより低減できるフィルムコンデンサを提供することができる。

（ａ）は、本発明の一実施形態であるフィルムコンデンサの一部を模式的に示した斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）におけるＸ−Ｘ線断面図である。 本発明の別の実施形態であるフィルムコンデンサの一部を示した断面図である。 フィルムコンデンサの外観斜視図である。

本発明のフィルムコンデンサの実施形態について、図１〜３を基に説明する。本実施形態において、誘電体フィルム１は、図１に示すように、無機化合物粒子２ａと樹脂３とを含み、その第１の主面１Ａには、樹脂３からなる第１の樹脂面３Ａと、無機化合物粒子２ａが第１の樹脂面３Ａから突出した突出部２とを備える構成となっている。なお、図１および図２では、理解を容易にするために誘電体フィルム１の積層方向を誇張して示しており、実際の寸法関係を反映したものではない。

一方、誘電体フィルム１の第２の主面１Ｂには電極層４が形成されており、電極層４の第１の電極表面４Ａと他の誘電体フィルム１の第１の主面１Ａとが対向するように誘電体フィルム１を重ね合わせることにより積層体が形成される。なお、ここでいう積層体とは、誘電体フィルム１と電極層４とが交互に重ねあわされたものであり、たとえば矩形状の誘電体フィルム１と電極層４とが交互に積層された積層体以外に、長尺状の誘電体フィルム１と電極層４とが巻回された構造も含む。

積層体の電極層４が露出した一対の側面には、一対の外部電極７が設けられ、一対の側面に露出した電極層４とそれぞれ電気的に接続されている。

本実施形態においては、第１の電極表面４Ａと誘電体フィルム１の第１の主面１Ａとは、突出部２において接するとともに、第１の電極表面４Ａと第１の樹脂面３Ａとの間に空隙５を有し、空隙５に絶縁性の気体が存在している。

空隙５に絶縁性の気体が存在することにより、第１の電極表面４Ａと第１の樹脂面３Ａとの間に絶縁性の気体層が形成される。この絶縁性の気体層、たとえば空気や窒素（Ｎ_２）などの層により、フィルムコンデンサの絶縁破壊電圧（ＢＤＶ）が向上するという効果が得られ、その結果、発煙・発火の可能性が低減される。このような効果は、パッシェンの法則からわかるように、たとえば気体層が１気圧の空気からなる場合、空隙５の厚さ（第１の電極表面４Ａと第１の樹脂面３Ａとの間隔）すなわち気体層の厚さが特に１０００ｎｍ以下の場合において顕著となり、この時の気体層のＢＤＶはおよそ３００Ｖ以上にもなる。

したがって、本実施形態では、空隙５における第１の電極表面４Ａと第１の樹脂面３Ａとの間隔の平均値を、１０００ｎｍ以下とする。また、空隙５における間隔の平均値を２００ｎｍ以下、さらには１００ｎｍ以下とすることで、空隙の形成状態がより安定したものとなり、フィルムコンデンサ全体としての絶縁破壊電圧（ＢＤＶ）をさらに高く安定したものとすることができる。

なお、第１の電極表面４Ａと第１の樹脂面３Ａとの間の間隔の平均値は、たとえば、フィルムコンデンサをクロスセクションポリッシャー（ＣＰ）などにより加工して得られた
積層体の積層方向または巻回軸に垂直な断面を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて観察し、任意の１０か所について第１の電極表面４Ａと第１の樹脂面３Ａとの間隔を測定してその平均値をとればよい。

また、空隙５にさらに絶縁性の高い気体が存在することで、さらにＢＤＶが向上するため好ましい。絶縁性の高い気体としては、例えば、窒素（Ｎ_２）や六フッ化硫黄（ＳＦ_６）、ヨウ化トリフルオロメタン（ＣＦ_３Ｉ）などが挙げられる。

空隙５に存在する気体は、積層体および外部電極７の外表面に設けられた樹脂等からなる外装部材（図示せず）により、空隙５内に保持される。特に矩形状の誘電体フィルム１と電極層４とが交互に積層された積層体を用いる場合、積層体の少なくとも外部電極７が設けられていない側面を外装部材により封止することが効果的である。この外装部材は、積層体および外部電極７の外表面を全て覆うもの、たとえばケースと樹脂とを用いて積層体を埋設するようなものであってもよいし、また、積層体および外部電極７の外表面の一部のみ、たとえば積層体の一対の側面に設けられた外部電極７や積層体の他の側面などを被覆する被覆層であってもよい。

空隙５の内部に気体を充填するには、たとえば誘電体フィルム１と電極層４とを積層または巻回する際に、所望の気体の雰囲気中で行えばよい。また、空隙５に存在する気体の種類は、真空中でフィルムコンデンサを破断したり、積層部に穴をあけるなどして得られた気体を、ガスクロマトグラフィなどを用いて確認すればよい。

なお、誘電体フィルム１の第１の主面１Ａにおいて、突出部２の表面は、無機化合物粒子２ａが露出していてもよいが、図２に示すように樹脂３の薄い層により被覆されていていることが好ましい。これは、無機化合物粒子２ａは電極層４を構成する金属との接着性が高く、樹脂３の方が第１の電極表面４Ａとの滑り性が高い（摩擦係数が低い）ことによる。このように突出部２の表面と第１の電極表面４Ａとの滑り性を高めることにより、誘電体フィルム１を巻回する際に誘電体フィルム１にかかる応力を小さくすることができ、欠陥の発生が抑制されフィルムコンデンサの信頼性が向上する。

また、無機化合物粒子２ａが露出している場合でも、露出部は一部のみで、他の大部分が樹脂３に埋まっていることが好ましい。無機化合物粒子２ａの大部分が樹脂３に埋まっていることにより、突出部２の誘電体フィルム１からの脱落を防止することができる。なお、無機化合物粒子２ａは、表面に表面改質剤などが塗布されたものであってもよい。

隣接する突出部２同士の間隔は、たとえば５０μｍ以下とすればよい。このような間隔で突出部２が配置されることにより、第１の樹脂面３Ａと第１の電極表面４Ａとが接触することなく空隙５を形成することができる。なお、隣接する突出部２同士の間隔が５０μｍ以下であるとは、ある突出部２の中心から半径５０μｍの領域内に、他の突出部２が存在することをいう。

突出部２は、それぞれ１個の無機化合物粒子２ａにより構成されていてもよいし、複数の無機化合物粒子２ａの集合体から構成されていてもよい。また、無機化合物粒子２ａは、誘電体フィルム１の第１の主面１Ａ上にのみ存在してもよいし、第１の主面１Ａ上だけでなく誘電体フィルム１の内部に埋没したものがあってもよい。

突出部２を形成する無機化合物粒子２ａのサイズ（平均粒径）としては、無機化合物粒子２ａの凝集の低減や無機化合物粒子２ａ同士が当接したときに誘電体フィルム１が変形しやすくなるという理由から、１０〜１０００ｎｍであることが望ましい。

また、誘電体フィルム１の内部に埋没した無機化合物粒子２ａが存在する場合、誘電体フィルム１における無機化合物粒子２ａの割合は、１〜１０体積％、特に、２〜７体積％であることが望ましい。

上記の構成を有する誘電体フィルム１としては、その平均厚みが３μｍ、特には、２μｍといった薄層化したものを好適に用いることができる。また、第２の主面１Ｂの算術平均粗さ（Ｓａ）についても５０ｎｍ以下、特に、１０ｎｍ以下と平滑な表面を有するものが適している。

誘電体フィルム１の突出部２の状態や、空隙５の有無については、例えば、フィルムコンデンサなどの積層体の誘電体フィルム１から化学的方法あるいは物理的方法によって電極層４を除去した表面や、フィルムコンデンサなどの積層体の積層方向または巻回軸に垂直な断面を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）などの分析装置を用いて観察することで確認できる。無機化合物粒子２ａの平均粒径や割合は、たとえば誘電体フィルム１の断面において、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）およびエネルギー分散型Ｘ線分光（ＥＤＳ）により無機化合物粒子２ａを判別し、断面のＳＥＭ写真を用いて画像解析により算出すればよい。

図３は、フィルムコンデンサの外観斜視図である。本実施形態のフィルムコンデンサは、矩形状の誘電体フィルム１と電極層４とが交互に積層された積層体を用いた積層型のフィルムコンデンサであってもよいし、長尺状の誘電体フィルム１と電極層４とを巻回した構造の積層体を用いた巻回型のフィルムコンデンサであってもよい。ただし、積層型のフィルムコンデンサの場合には、空隙５に存在する気体がフィルムコンデンサの外部に逃げないように、積層体の少なくとも外部電極７が設けられていない側面において、誘電体フィルム１同士を熱圧着したり、前述したような樹脂などの被覆からなる外装部材１６を設ける必要がある。

これらのフィルムコンデンサは外部電極７に端子としてさらにリード線１５を有していても良いが、フィルムコンデンサの小型化という点でリード線１５を有しない構造が望ましい。また、リード線１５の一部が外装部材１６に覆われていてもよい。

本実施形態のフィルムコンデンサは、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、誘電体フィルム１の母材となる樹脂３を用意する。樹脂３としては、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）およびシクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）、などが好適である。

これらの樹脂３の室温（約２５℃）における比誘電率（ε）は、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）が３．３、ポリプロピレン（ＰＰ）が２．２、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）が３．０、シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）が２．２〜３．０である。

また、これらの樹脂３の室温（約２５℃）における絶縁破壊電界（ＢＤＥ）は、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）が３１０（Ｖ／μｍ）、ポリプロピレン（ＰＰ）が３８０（Ｖ／μｍ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）が２１０（Ｖ／μｍ）、シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）が３７０〜５１０（Ｖ／μｍ）である。

無機化合物粒子２ａとしては、アルミナ、酸化チタン、二酸化珪素などの無機酸化物、窒化珪素など無機窒化物、ガラスなどを用いることができる。特に、ペロブスカイト型構造を有する複合酸化物など比誘電率の高い材料を無機化合物粒子２ａとして用いることにより、誘電体フィルム１全体の比誘電率が向上し、フィルムコンデンサを小型化すること
ができる。また、無機化合物粒子２ａと樹脂３との相溶性を高める上で、無機化合物粒子２ａにシランカップリング処理やチタネートカップリング処理等の表面処理を行っても良い。

誘電体フィルム１は、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）製のフィルムを基材として、その表面にまず、樹脂３をシート状に形成し、さらに形成したシート状の樹脂３の表面に、無機化合物粒子２ａを含む分散液を塗布することにより得ることができる。無機化合物粒子２ａを含む分散液としては、樹脂３を含まないものを用いてもよいが、誘電体フィルム１と無機化合物粒子２ａとの接着性や、突出部２の表面を樹脂３で被覆することが好ましいという点から、樹脂３を含むものを用いることが好ましい。

成膜方法としては、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、周知の成膜方法から適宜選択すればよい。

成膜に使用する溶剤としては、例えば、メタノール、イソプロパノール、ｎ−ブタノール、エチレングリコール、エチレングリコールモノプロピルエーテル、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、キシレン、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、ジメチルアセトアミド、シクロヘキサン、又は、これらから選択された２種以上の混合物を含んだ有機溶剤を用いるのがよい。

次に、誘電体フィルム１を基材から剥離して、誘電体フィルム１の基材側の面である第２の主面１Ｂ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電極層４を形成し、次いで、電極層４を形成した誘電体フィルム１を、絶縁性を有する気体の雰囲気中で巻回して積層体を得る。

次に、得られた積層体をフィルムコンデンサの本体部１３として、その電極層４が露出した端面に外部電極７を形成する。外部電極７の形成には、例えば、金属の溶射や半田付けなどが好適である。また、ここで、外部電極７にリード線１５を形成しても良い。次いで、外部電極７（リード線１５を含む）を形成した本体部１３の表面に樹脂からなる外装部材１６を形成することによって本実施形態のフィルムコンデンサを得ることができる。

具体的な材料の選択を行って誘電体フィルムを作製し、以下の評価を行った。

まず無機化合物粒子として平均粒径が１０〜７００ｎｍのアルミナ粒子（比誘電率：９）を用い、樹脂との相溶性を向上させるためにシランカップリング処理を行った。これをシクロヘキサンに分散させることによりアルミナ粒子分散液を準備した。樹脂としては、ポリシクロオレフィンポリマー（分子量：Ｍｗ＝２００００、比誘電率２．２）を用いた。

次に、シクロヘキサンに溶解したシクロオレフィンポリマーを、コータを用いてポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルムの基材上に塗布することにより、シート状に成形した。さらに、成形したシート状のシクロオレフィンポリマーの表面が乾燥する前に、その表面にアルミナ粒子分散液を塗布し、誘電体フィルムを作製した。

作製した誘電体フィルムは、１８０℃で脱溶剤を行った後に基材から剥離し、基材側の面を第２の主面として平均厚みが７５ｎｍのＡｌの電極層を真空蒸着法により形成した。得られた電極層つきの誘電体フィルムを、表１に記載した気体の雰囲気中で巻回して積層体とし、メタリコン処理により外部電極を形成し、メタリコン層の表面にリード線を接続
してフィルムコンデンサを作製した。

誘電体フィルムの平均厚み（膜厚）は、脱溶剤後の誘電体フィルムの一部を切り取り、１０等分した領域を測定した平均値より求めた。誘電体フィルムの平均厚みを表１に示す。

誘電体フィルムの第１の樹脂面と第１の電極表面との間の空隙の状態については、作製したフィルムコンデンサをクロスセクションポリッシャー（ＣＰ）により加工し、得られた断面をエネルギー分散型Ｘ線分光（ＥＤＳ）および走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）観察により確認した。第１の電極表面と第１の樹脂面との間の空隙の平均間隔は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）観察により任意の１０か所について第１の樹脂面と第１の電極表面との間隔を測定し、その平均値とした。

フィルムコンデンサの絶縁破壊電界（ＢＤＥ）は、試験電圧を１分間印加して、静電容量が初期状態の９５％以下となる電圧をフィルムコンデンサの絶縁破壊電圧（ＢＤＶ）とし、得られたＢＤＶの値と誘電体フィルムの平均厚みと空隙の平均間隔との和をもとに算出した。これらの結果を表１に示す。

なお、フィルムコンデンサの内部に含まれる気体の種類は、フィルムコンデンサをヘッドスペースバイアル瓶に入れて密閉し、シリンジで瓶の内部の空気を吸い出した後、シリンジを用いてフィルムコンデンサを壊し、得られた気体をガスクロマトグラフィにて分析した。その結果、フィルムコンデンサの内部に含まれる気体は、フィルムコンデンサを作製した際の雰囲気と同じ気体であることを確認した。

試料Ｎｏ．２〜１０は、誘電体フィルムの第１の主面に突出部を有し、第１の樹脂面と第１の電極表面との間に空隙が存在し、その平均間隔が１０００ｎｍ以下であった。これに対し、無機化合物粒子を含まない試料Ｎｏ．１では、突出部が形成されず、積層体の第１の樹脂面と第１の電極表面との間に空隙が存在しなかった。

また、各試料について絶縁破壊電界（ＢＤＥ）を評価したところ、空隙内に空気を有す
る試料Ｎｏ．２、３は、空隙のない試料Ｎｏ．１よりも高い値を示し、また空隙内に窒素を有する試料Ｎｏ．４、５では、試料Ｎｏ．２、３よりも高い値を示した。なお、分散性の低いアルミナ粒子分散液を用いた試料Ｎｏ．６、８、１０においても空隙が形成されており、高い絶縁破壊電界（ＢＤＥ）を示した。

１ ： 誘電体フィルム
１Ａ ： 誘電体フィルムの第１の主面
１Ｂ ： 誘電体フィルムの第２の主面
２ ： 突出部
２ａ ： 無機化合物粒子
３ ： 樹脂
３Ａ ： 第１の樹脂面
４ ： 電極層
４Ａ ： 第１の電極表面
５ ： 空隙
７ ： 外部電極
１３ ： 本体部
１５ ： リード
１６ ： 外装部材

Claims (6)

1. 絶縁性の無機化合物粒子と樹脂とを含む誘電体フィルムが電極層を介して複数積層された積層体と、該積層体の一対の側面に設けられた一対の外部電極と、を備え、一対の該外部電極が、一対の前記側面に露出した前記電極層とそれぞれ電気的に接続されたフィルムコンデンサであって、
   前記誘電体フィルムの第１の主面が、樹脂からなる第１の樹脂面と、該第１の樹脂面から前記無機化合物粒子が突出した突出部と、を有し、
   前記電極層が前記誘電体フィルムの第２の主面に設けられており、前記第１の主面に対向する前記電極層の第１の電極表面が、前記突出部と接するとともに、前記第１の電極表面と前記第１の樹脂面との間に、前記第１の電極表面と前記第１の樹脂面との間隔の平均値が１０００ｎｍ以下である空隙を有し、該空隙に絶縁性の気体が存在することを特徴とするフィルムコンデンサ。
2. 前記空隙における前記第１の樹脂面と前記第１の電極表面との間隔の平均値が、２００ｎｍ以下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。
3. 前記絶縁性の気体が、窒素（Ｎ_２）、六フッ化硫黄（ＳＦ_６）およびヨウ化トリフルオロメタン（ＣＦ_３Ｉ）からなる群のうち、少なくとも１種以上を含む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。
4. 前記積層体および前記外部電極の外表面に、外装部材を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のフィルムコンデンサ。
5. 前記突出部の表面に、樹脂の被覆を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のフィルムコンデンサ。
6. 前記無機化合物粒子の平均粒径が１０〜１０００ｎｍの範囲であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のフィルムコンデンサ。