JP2017014312A - 誘電体フィルムおよび金属化フィルムと、これを用いたフィルムコンデンサおよび連結型コンデンサ、ならびにインバータ、電動車輌 - Google Patents

Abstract

【課題】金属膜との密着性が良好な誘電体フィルムおよび金属化フィルムと、これを用いたフィルムコンデンサおよび連結型コンデンサ、ならびにインバータ、電動車輌の提供。
【解決手段】ポリエステルを主骨格とする有機樹脂を主成分とするフィルムに、紫外線照射することにより表面にヒドロキシケトンを生成させた誘電体フィルム１。誘電体フィルム１上に金属膜２を備える金属化フィルム３を用いたフィルムコンデンサＡとすることにより、誘電体フィルム１と金属膜２との密着性が良好なフィルムコンデンサＡが得られる。このようなフィルムコンデンサＡ及びそれをバスバーにより連結した連結型コンデンサはインバータや電動車両に好適に用いられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、誘電体フィルムおよび金属化フィルムと、これを用いたフィルムコンデンサおよび連結型コンデンサ、ならびにインバータ、電動車輌に関する。

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（例えば、特許文献１を参照）。

フィルムコンデンサは、各種の電子部品が実装された基板上において、セラミックコンデンサなど他の電子部品に比べて依然としてサイズが大きいことから、当該基板の低背化や実装密度の向上の妨げになっており、そのためフィルムコンデンサの小型化が検討されている。また、電子機器の小型化、コンデンサの高容量化などにより、その使用環境が高温になってきたため、そのような条件下でも長時間にわたり安定な電気的特性が得られる耐熱性が要求されている。

上述のような高温の環境下での誘電体フィルムと金属膜との密着性を向上すべく、例えば、特許文献２では、樹脂モノマーからなる誘電体膜において、モノマーを重合反応させることで誘電体膜と金属蒸着電極との密着性が向上することが開示されている。

特開平９−１２９４７５号公報 特開２００９−０６４９３０号公報

誘電体フィルムを形成する樹脂材料のうち、耐熱性に優れるものとしてポリアリレートやポリカーボネートなどのポリマーが挙げられる。しかしながら、これらの樹脂材料においても、誘電体フィルムとして用いた際に金属膜との密着性が不充分であるという課題があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、金属膜との密着性が良好な誘電体フィルムおよび金属化フィルムと、これを用いたフィルムコンデンサおよび連結型コンデンサ、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。

本発明の誘電体フィルムは、ポリエステルを主骨格とする有機樹脂を主成分とする誘電体フィルムであって、前記有機樹脂が、ヒドロキシケトンを含む。

本発明の金属化フィルムは、上記の誘電体フィルム上に金属膜を備える。

本発明のフィルムコンデンサは、上記の金属化フィルムが巻回または積層されてなる本体部と、該本体部に設けられた外部電極とを有する。

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。

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。

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。

本発明によれば、金属膜との密着性が良好な誘電体フィルムおよび金属化フィルムと、これを用いたフィルムコンデンサおよび連結型コンデンサ、ならびにインバータ、電動車輌を提供できる。

（ａ）は、誘電体フィルムの表面に金属膜を有する構造を模式的に示す断面図であり、（ｂ）は、第１実施形態に係るフィルムコンデンサを示す外観斜視図である。 第２実施形態に係るフィルムコンデンサの構成を模式的に示した展開斜視図である。 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。 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。 電動車輌の一実施形態を示す概略構成図である。

誘電体フィルムの一実施形態について、具体例をあげて説明する。本実施形態の誘電体フィルムは、ポリエステルを主骨格とする有機樹脂を主成分とするものである。ここで、主成分とは、誘電体フィルム全体に対して質量比で５０質量％以上を占める成分である。

ポリエステルを主骨格とする有機樹脂としては、例えばポリカーボネート、ポリアリレートおよびこれらの重合体が挙げられる。ポリカーボネートおよびポリアリレートは、耐熱性、機械的特性、電気的特性（絶縁性、誘電特性）に優れ、誘電体フィルムの有機樹脂材料として好適に用いることができる。なお、ポリエステルを主骨格とする有機樹脂であれば、ポリカーボネートおよびポリアリレート以外の有機樹脂についても、本発明を適用することで金属膜との密着性を向上することができる。

本実施形態において、有機樹脂はヒドロキシケトンを含んでいる。ヒドロキシケトンは、その構造中に水酸基（ヒドロキシ基）を有しており、金属酸化物の表面に存在する水酸基と水素結合を形成しやすい。

したがって、誘電体フィルムを構成するポリカーボネートやポリアリレートがその分子中に、水酸基を有するヒドロキシケトンを含むことで、特に誘電体フィルムの表面に存在するヒドロキシケトンの水酸基と、Ａｌ等の金属膜の表面の酸化物とが、水素結合により強固に接合し、誘電体フィルムと金属膜との密着性が向上する。

有機樹脂に含まれる水酸基の含有量Ａは、有機樹脂を構成するテレフタル酸のＨ（プロトン）の含有量Ｂに対するモル比率（Ａ／Ｂ）にして、０．００１〜０．２、さらには０．０１〜０．１の範囲であることが好ましい。水酸基の含有量をこのような範囲とするこ
とで、有機樹脂の耐熱性や機械特性、電気特性を維持したまま、誘電体フィルムと金属膜との密着性を向上できる。

有機樹脂の種類とヒドロキシケトンの有無、有機樹脂に含まれる水酸基の含有量Ａ、および有機樹脂を構成するテレフタル酸のＨ（プロトン）の含有量Ｂは、核磁気共鳴分光法（ＮＭＲ）により確認することができる。具体的には、^１Ｈ−ＮＭＲ（プロトンＮＭＲ）測定を行い、確認することができる。

このような有機樹脂を主成分とする誘電体フィルムは、例えば以下のようにして得ることができる。ポリエステルを主骨格とするポリカーボネート、ポリアリレートなどの重合体を有機溶剤に溶解し、樹脂溶液を作製する。この樹脂溶液を用いて、例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）製基材の上に樹脂フィルムを成膜すればよい。成膜法としては、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が挙げられ、これら周知の成膜法から適宜選択して成膜すればよい。

主骨格がポリエステルである有機樹脂としては、たとえばポリカーボネートであれば一般式（１）、ポリアリレートであれば、たとえば一般式（２）または（３）で表される繰り返し単位を有するポリマーが一例として挙げられる。

一般式（１）、（２）、または（３）中、Ｘは、脂肪族の２価基、環状脂肪族の２価基、一般式（４）で表される２価基から選ばれる少なくとも１種を示す。一般式（３）中、Ｙは、置換もしくは無置換のアリレン基を示す。

一般式（４）中、Ｒ１、Ｒ２は、それぞれ独立して置換もしくは無置換のアルキル基、アリール基、またはハロゲン原子を示す。Ａは、単結合、炭素原子数１〜 １２の直鎖状
、分岐状、または環状のアルキレン基を示す。

上記一般式（１）、（２）、（３）中のＸの具体例としては、たとえば一般式（５ａ）〜（５ｎ）で表される２価基が挙げられる。

これらの有機樹脂は、１種だけでも良いし２種以上を併用してもよい。また、複数成分の共重合体でもよい。

ポリエステルを主骨格とする重合体を溶解する有機溶剤としては、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、トルエン、クロロホルムおよびテトラヒドロフランのうちいずれか１種、又は、これらから選択される２種以上の混合物を含む有機溶剤を用いる。

樹脂溶液における有機樹脂の濃度（樹脂濃度）は、例えば１０〜４０質量％とするのが好ましい。

作製した樹脂フィルムに紫外線（ＵＶ）を照射することで、ポリエステルを主骨格とする有機樹脂が反応式（６）に示すような光フリース転移を起こし、有機樹脂の構造中にヒドロキシケトンが生じる。すなわち、ポリエステルを主骨格とし、ヒドロキシケトンを含む有機樹脂を主成分とする誘電体フィルムが得られる。

樹脂フィルムに紫外線（ＵＶ）を照射する際の光源は、たとえば、波長３６５ｎｍのＵＶランプ（放電管電力４Ｗ）を用いる。照射条件としては、例えばＵＶランプの直下に樹脂フィルムを配置し、大気雰囲気中、室温で２４時間程度の紫外線照射を行えばよい。

樹脂フィルムのＵＶを照射した面に、金属膜を設けることで金属化フィルムが得られる。金属膜は、例えばＡｌ（アルミニウム）やＺｎ（亜鉛）を蒸着するなどして形成すればよい。樹脂フィルムの紫外線（ＵＶ）を照射した側の面に金属膜を形成することで、ＵＶの照射により有機樹脂中に生じたヒドロキシケトンの水酸基（ヒドロキシ基）と、金属膜の表面の酸化物とが水素結合により強固に結合し、樹脂フィルムと金属膜との密着性が高い金属化フィルムとなる。樹脂フィルムと金属膜との密着性は、例えば粘着性のテープを用いた９０°剥離試験（ＪＩＳ Ｚ ０２３７ ：２００９）などにより確認すればよい。

図１（ａ）は、誘電体フィルムの表面に金属膜を有する構造を模式的に示す断面図であり、（ｂ）は、本発明の第１実施形態のフィルムコンデンサを示す外観斜視図である。

図１（ｂ）に示す第１実施形態のフィルムコンデンサＡは、誘電体フィルム１の片面に金属膜２を備えた金属化フィルム３を複数積層した本体部４を有し、その本体部４に外部電極５が設けられた構成を基本的とするものであり、必要に応じてリード線６が設置される。

この場合、本体部４、外部電極５およびリード線６の一部は、必要に応じて絶縁性および耐環境性の点から外装部材７に覆われていてもよい。図１（ｂ）においては、外装部材７の一部を取り除いた状態を示しており、外装部材７の取り除かれた部分を破線で示している。ここで、誘電体フィルム１は上述の誘電体フィルム、すなわちポリエステルを主骨格とし、ヒドロキシケトンを含む有機樹脂を主成分とするものである。これにより、第１実施形態のフィルムコンデンサは、高温環境下でも誘電体フィルムと金属膜との密着性に優れ、長期間にわたり安定して使用できるものとなる。

上述の誘電体フィルム１は、図１（ａ）（ｂ）に示した積層型に限らず、巻回型のフィルムコンデンサＢにも適用することができる。

図２は、フィルムコンデンサの第２実施形態の構成を模式的に示した展開斜視図である。第２実施形態のフィルムコンデンサＢは、巻回された金属化フィルム３ａ、３ｂにより構成される本体部４の対向する端面に、外部電極５ａ、５ｂとしてメタリコン電極が設けられている。

金属化フィルム３ａ、３ｂは、誘電体フィルム１ａ、１ｂの表面に金属膜２ａ、２ｂを有する構成である。この場合、金属膜２ａ、２ｂは誘電体フィルム１ａ、１ｂの幅方向の一端側に、この誘電体フィルム１ａ、１ｂにおいて露出部分となる、金属膜２ａ、２ｂの形成されていない部分（以下、金属膜非形成部８ａ、８ｂという場合がある。）が長手方向に連続して残るように形成されている。金属化フィルム３ａ、３ｂの金属膜非形成部８ａ、８ｂは、誘電体フィルム１ａ、１ｂの幅方向において、互いに異なる端部に配置されている。

すなわち、フィルムコンデンサＢは、誘電体フィルム１ａと金属膜２ａとによって構成される金属化フィルム３ａと、誘電体フィルム１ｂと金属膜２ｂとによって構成される金属化フィルム３ｂとが、図２に示すように重ねられ巻回されている。なお、図２では、フィルムコンデンサＢの構成を見易くするため、誘電体フィルム１ａ、１ｂ、金属膜２ａ、２ｂの厚みを、図２の奥から手前に向けて厚くなるように記載したが、実際にはこれらの厚みは一定である。

フィルムコンデンサＡ、Ｂに適用する金属膜２（２ａ、２ｂ）の材料としては、アルミニウムが望ましいが、これに代えて、亜鉛またはこれらの合金からなるものも好適である。また、メタリコン電極の材料としては、アルミニウム、銅およびハンダから選ばれる１種の金属材料が好適である。

図３は、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３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Ｃは、複数個のフィルムコンデンサＢ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Ｂの外部電極５ａ、５ｂ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。

フィルムコンデンサＢまたは連結型コンデンサＣを構成する誘電体フィルムとして、上述の誘電体フィルム１を適用すると、フィルムコンデンサＢおよび連結型コンデンサＣのサイズの小型化とともに高容量化を図ることができる。また、耐熱性が高く、高温環境下でも誘電体フィルムと金属膜との密着性に優れ、長期間にわたり安定して使用できるものとなる。

なお、連結型コンデンサＣは、図３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Ｂ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。

図４は、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４には、直流から交流を作り出すインバータＤの例を示している。本実施形態のインバータＤは、図４に示すように、スイッチング素子（例えば、ＩＧＢＴ（Insulated gate Bipolar Transistor））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Ｂまたは連結型コンデンサＣが適用される。

なお、このインバータＤは、直流電源の電圧を昇圧する昇圧回路３５に接続される。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。

本実施形態のインバータＤは、容量部３３として上述のフィルムコンデンサＢまたは連結型コンデンサＣを適用するため、インバータＤに占める容量部３３の体積を小さくすることができ、小型かつ静電容量の大きい容量部３３を有するインバータＤとなる。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Ｄとすることができる。

図５は、電動車輌の一実施形態を示す概略構成図である。図５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。

図５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。

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。

また、図５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。

本実施形態のフィルムコンデンサＢまたは連結型コンデンサＣを容量部３３として適用したインバータＤを、例えば、図５に示すような電動車輌Ｅに搭載すると、ポリプロピレンやポリエチレンテレフタレートなどによって形成されていた従来の誘電体フィルムを適用したフィルムコンデンサや連結型コンデンサを用いたインバータに比較して、車輌の重量を軽くできることから、その分、燃費を向上させることが可能になる。また、エンジンルーム内における自動車の制御装置の占める割合を低くできる。また、エンジンルーム内に耐衝撃性を高めるための機能を内装させることができることから車輌の安全性をさらに向上させることが可能になる。

なお、本実施形態のインバータＤ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。

以下、本発明の誘電体フィルムおよび金属化フィルムについて、実施例に基づき詳細に説明する。

ポリエステルを主骨格とする有機樹脂として、ポリアリレート（Ｕ−１００、ユニチカ製）を用いた。Ｕ−１００をクロロホルムに溶解させ、樹脂濃度２５質量％の樹脂溶液を得た。この樹脂溶液を、コータを用いてポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）製の基材上に塗布し、１８０℃で１時間乾燥して溶剤を乾燥させ、誘電体フィルムを作製した。誘電体フィルムの厚さは３．５μｍであった。

作製した誘電体フィルムの表面に、波長３６５ｎｍのＵＶランプ（放電管電力４Ｗ）を用いて、大気雰囲気中、室温で紫外線（ＵＶ）を所定時間照射した。誘電体フィルムに対するＵＶ照射時間を表１に示す。

ＵＶ照射後の誘電体フィルムについて、^１Ｈ−ＮＭＲ（プロトンＮＭＲ）測定を行った。得られた^１Ｈ−ＮＭＲスペクトルには、Ｕ−１００に由来するピーク以外に、光フリース転移によって生じたヒドロキシケトンに由来する水酸基（ヒドロキシ基）のピークが、１１．８ｐｐｍ付近に観測された。この１１．８ｐｐｍ付近のピークの強度と、９ｐｐｍ付近に存在するテレフタル酸に由来するＨ（プロトン）のピークとを比較し、その強度比から水酸基の含有量ＡとＨ（プロトン）の含有量Ｂとのモル比率（Ａ／Ｂ）を算出し、表１に記載した。

ＵＶ照射した誘電体フィルムのＵＶ照射面に、真空蒸着法によりＡｌの金属膜（厚さ７５ｎｍ）を形成して金属化フィルムを作製した。その後、基材から金属化フィルムを剥がし、誘電体フィルムと金属膜との密着性を評価した。密着性の評価は、ＪＩＳ Ｚ ０２３７ ：２００９に準じ、粘着性のテープを用いた９０°剥離試験により行った。ここでは、粘着性テープの接着面積を１ｃｍ×２ｃｍとし、粘着テープを剥離した後、誘電体フィルムから金属膜が剥離した面積の接着面積に対する割合（％）を評価した。結果を表１に示す。

試料Ｎｏ．２〜６は、ポリエステルを主骨格とするＵ−１００（有機樹脂）にヒドロキシケトンを含むことから、蒸着した金属膜との密着性が高く、剥離試験による金属膜の剥離面積が小さいものであった。一方、有機樹脂中にヒドロキシケトンを含まない試料Ｎｏ．１は、金属膜の剥離面積が大きく、誘電体フィルムと金属膜との密着性に劣るものであった。

Ａ、Ｂ・・・・・・・フィルムコンデンサ
Ｃ・・・・・・・・・連結型コンデンサ
Ｄ、４７・・・・・・インバータ
Ｅ・・・・・・・・・電動車輌
１、１ａ、１ｂ・・・誘電体フィルム
２、２ａ、２ｂ・・・金属膜
３、３ａ、３ｂ・・・金属化フィルム
４・・・・・・・・・本体部
５、５ａ、５ｂ・・・外部電極
６・・・・・・・・・リード線
７・・・・・・・・・外装部材
８ａ、８ｂ・・・・・金属膜非形成部
２１、２３・・・・・バスバー
３１・・・・・・・・ブリッジ回路
３３・・・・・・・・容量部
３５・・・・・・・・整流回路
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

Claims (8)

1. ポリエステルを主骨格とする有機樹脂を主成分とする誘電体フィルムであって、該有機樹脂が、ヒドロキシケトンを含むことを特徴とする誘電体フィルム。
2. 前記有機樹脂に含まれる水酸基（ヒドロキシ基）の含有量Ａと、前記有機樹脂を構成するテレフタル酸のＨ（プロトン）の含有量Ｂとのモル比率が、Ａ／Ｂにして、０．００１〜０．２の範囲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. 請求項１または２に記載の誘電体フィルム上に金属膜を備えることを特徴とする金属化フィルム。
4. 請求項３に記載の金属化フィルムが巻回または積層されてなる本体部と、該本体部に設けられた外部電極とを有することを特徴とするフィルムコンデンサ。
5. 請求項４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。
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。
7. 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５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。
8. 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６または７に記載のインバータであることを特徴とする電動車輌。
   

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